纯镁板材在拉伸和压缩状态下的对比研究：通过高分辨率断口成像技术（HRDIC）揭示纳米尺度下的晶内和晶间适应机制

《Journal of Materials Science & Technology》：A comparative study of tension and compression in pure Mg sheet: Unveiling nanoscale intra- and inter-granular accommodation mechanisms via HRDIC

本研究通过高分辨率数字图像相关结合电子背散射衍射技术，系统分析了具有强基底织构的纯镁合金在拉伸和压缩下的纳米级应变场分布及晶内/晶间变形协调机制。结果表明，拉伸变形以晶界滑移和滑移主导，应变高度局部化；压缩变形则以孪生为主，应变分布较均匀。揭示了不同加载条件下晶界应变集中触发滑移带形核及孪生协调机制的本质差异，为理解镁合金各向异性和张力-压缩不对称性提供了纳米尺度应变场证据。

　　

冉雅明|张远帅|沈华|蒋铮|王旭东|周浩|倪然|尹东迪

教育部先进材料技术重点实验室，西南交通大学材料科学与工程学院，中国成都610031

摘要

Mg合金的拉伸-压缩不对称性（TCA）源于其六方密排结构的固有各向异性，这种各向异性导致了明显的局部变形不兼容性，并激活了不同的晶内/晶间适应机制。然而，从纳米尺度应变场的角度来看，这些机制仍然知之甚少。在这项研究中，采用了高分辨率数字图像相关性与电子背散射衍射相结合的方法，系统地定量比较了纯Mg在拉伸和压缩过程中的晶内/晶间适应机制，重点关注了滑移、孪生和晶界滑移（GBS）以及由此产生的纳米尺度应变分配。统计结果表明，拉伸和压缩过程中的变形机制和应变分配存在显著差异。在拉伸过程中，变形最初主要涉及晶间机制，并伴有明显的应变局部化；而在较高应变下，变形转变为以滑移为主。在拉伸过程中，GBS被显著激活，平均激活距离为2.4%应变时的44.9 ± 65.5纳米。在压缩过程中，变形主要由孪生主导，应变局部化程度较低，GBS活性也有限。详细的案例分析还显示，在不同加载模式下，晶界的适应机制也有所不同。在拉伸过程中，当基面滑移难以激活时，GBS会适应变形不兼容性；此外，晶界的应变集中会触发滑移带的形成（SBs），从而有效缓解了晶界的变形。相比之下，在压缩过程中，晶界的变形不兼容性通过孪生共核来适应，而三重结处的应变集中会触发孪生的形成。此外，本研究还揭示了各个应变分量场在理解复杂局部适应机制中的重要性。这项研究从与单个变形事件相关的纳米尺度局部应变场的角度，提供了关于多晶Mg在拉伸和压缩过程中如何适应局部变形不兼容性的宝贵见解。

引言

Mg合金是最轻的结构金属之一，因此在轻量化应用中具有吸引力[1]。然而，由于其六方密排晶体结构的复杂塑性行为，其应用受到限制[2,3]。目前，人们对Mg合金的晶内机制有了显著的了解，特别是滑移系统和孪生的活性[4],[5],[6],[7]。然而，这些机制之间的应变分配仍不甚清楚。

应变局部化指的是应变在特定微观区域（如滑移带（SBs）、孪生和晶界（GBs）的集中。它与裂纹萌生和疲劳失效密切相关[8],[9],[10]。因此，量化应变局部化为微观机制和宏观响应之间提供了桥梁。

近年来，高分辨率数字图像相关性（HRDIC）技术使得纳米尺度应变局部化的定量映射成为可能[11],[12],[13],[14],[15],[16]。例如，Stinville等人[10]利用HRDIC量化了SB强度，并发现金属材料的疲劳强度与首次加载循环中的滑移局部化幅度密切相关。Ahmadikia等人[13]也基于HRDIC报告了屈服强度（YS）与滑移局部化强度之间的强相关性。

然而，大多数HRDIC研究主要集中在晶内变形上，而晶界介导的机制则较少得到量化。实际上，晶界容易受到应力/应变集中的影响，通常是裂纹萌生的关键部位[9,17]。在适应晶间变形的各种机制中，晶界滑移（GBS）被认为是一个关键因素[18]。然而，传统的GBS表征方法[19],[20],[21]（如聚焦离子束[20]）受到视野（FOV）和/或离散测量的限制。为了解决这些问题，Venkataraman等人[22]提出了一种基于HRDIC的定量算法，能够获取完整的GBS位移数据，从而更深入地了解塑性变形。

Mg合金表现出明显的各向异性和拉伸-压缩不对称性（TCA），这主要是由于滑移/孪生系统的不同临界解剪应力（CRSS）以及变形孪生的极性[23,24]。具体来说，在纯Mg中，基面?a?（Bas）滑移最容易激活，因为其CRSS较低[25]，但它难以适应c轴变形。相比之下，金字塔形II ?c?+?a?（PyrIICA）滑移可以有效适应c轴变形，但其相对较高的CRSS使其难以激活[26]。拉伸孪生（TTW）的CRSS介于Bas和PyrIICA滑移之间，可以有效适应c轴变形。然而，其激活强烈依赖于局部应力状态：当局部应力有利于c轴伸长时，TTW的萌生和生长得到促进[27]。这种各向异性本质上导致了晶内和晶间变形的不兼容性[9]，提出了一个关键的科学问题：Mg合金在拉伸和压缩过程中的变形适应机制有何差异？

在这项研究中，我们结合了准原位 HRDIC技术和基于多模态数据融合的自动化晶粒变形分析框架（AutoGrainDAM[16]），研究了纯Mg在拉伸和压缩过程中的变形机制和应变分配。结果表明，拉伸变形主要通过广泛的GBS和位错滑移来适应，应变强度较高；而压缩变形则主要由孪生来适应，应变强度较低。代表性案例分析进一步揭示了晶内和晶间变形模式之间的复杂相互作用和变形适应机制。从应变局部化的角度进行的进一步分析，为多晶材料如何适应局部变形不兼容性提供了更全面的理解。

实验程序

研究的材料是轧制的纯Mg板材；详细的制备过程见补充材料中的补充说明1。加工出了扁平的狗骨形拉伸试样和立方体形压缩试样，其尺寸分别为8 mm × 2.5 mm × 2 mm和7.5 mm × 5 mm × 5 mm（长度×宽度×厚度）。板材的轧制方向（RD）和横向方向（TD）分别平行于试样的长度和宽度。

初始微观结构和力学性能

图1显示了轧制纯Mg板材的未变形微观结构及其沿RD方向的拉伸和压缩力学性能。IPF-Z图（图1(a)）显示了一个完全再结晶的微观结构，晶粒尺寸均匀，平均晶粒直径约为20 μm。PF和IPF（图1(Fig. 1, Fig. 1)）表明了强烈的基面纹理，最大强度分别为13 mrd和2.5 mrd。图1(d)展示了轧制板材的拉伸和压缩力学性能曲线。

讨论

本研究揭示了具有强基面纹理的纯Mg在活性变形机制和纳米尺度应变局部化方面的显著TCA。在拉伸变形的早期阶段，应变在变形的晶界处高度局部化（图2(a)和(c)），表明晶界介导的变形起着重要作用（图2(d)）。随着施加应变的增加，形成了大量的滑移带（SBs）并逐渐扩展（图2(a)和(b)），导致变形逐渐转变为以滑移为主（图2(d)）。

结论

基于结合准原位 HRDIC和EBSD分析，本研究探讨了具有强基面纹理的纯Mg在拉伸和压缩过程中的纳米尺度应变分配和晶内/晶间适应机制。主要结论如下：

• (1)
  从应变局部化的角度来看，晶界在拉伸过程中的局部化强度始终最高，0.6%应变时的SR达到11.9。相比之下，压缩过程中的应变局部化程度要低得多

CRediT作者贡献声明

冉雅明：撰写——初稿，可视化，软件，研究，形式分析，概念化。张远帅：研究，形式分析。沈华：可视化，形式分析。蒋铮：撰写——审阅与编辑。王旭东：撰写——审阅与编辑。周浩：撰写——审阅与编辑。倪然：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，软件，方法论，概念化。尹东迪：撰写——审阅与编辑，可视化，监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52571157和52171125）的支持。我们感谢西南交通大学分析测试中心在SEM和EBSD表征方面的协助。