基于晶体塑性的工程镁合金低周疲劳研究

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Crystal plasticity based low-cycle fatigue study in engineered magnesium alloys

　　摘要：镁合金作为潜在的轻量化材料，其应用受限是由于它们在循环变形过程中表现异常、疲劳性能较差，且人们对循环加载下孪生驱动的不对称性机制理解不足。本研究通过引入基于微观结构的晶体塑性有限元建模框架，成功建立了晶粒尺寸、孪生-逆孪生活动、循环不对称性及疲劳寿命之间的关联，以此应对这些挑战。研究采用多尺度方法，利用独特的能量基参数来量化运动学屈服不对称性，从而揭示了从超细晶到粗晶不同晶粒尺寸的镁合金中由孪生驱动的不对称效应。实验与模拟的联合分析表明，晶粒尺寸在塑性应变能密度不对称性的演变中起着关键作用。在粗晶镁合金中，研究发现了具有独特四阶段特征的孪生-逆孪生循环，这一过程对晶粒尺寸敏感，包括孪生核化、孪生生长、反向加载下的亚稳态孪生以及孪生收缩/逆孪生。在疲劳寿命的初始阶段，孪生-逆孪生过程占据主导地位，导致塑性应变能密度出现显著不对称性。随着晶粒细化，基于孪生的变形显著减少，从而使循环滞回曲线更加对称，疲劳寿命也得到提升。通过将微观变形机制与宏观循环塑性联系起来，这些研究为设计在低周疲劳条件下更具可靠性的微观结构提供了坚实基础。

引言：由于镁及其合金具有优异的比强度、刚度以及独特的减震性能，它们属于最轻的可用金属材料之一，在汽车和航空航天部件的轻量化应用中具有巨大潜力[1,2]。尽管具备这些优势，但由于其固有变形机制导致的各种机械性能异常，镁基材料的广泛应用仍受到严重限制[3,4]。由于镁及其合金具有HCP晶体结构，其在室温下的可用微观变形机制较为有限[5,6]。镁合金的塑性变形主要通过基面滑移、棱柱面滑移以及锥面滑移等滑移系来实现[7,8]。除此之外，在室温下的塑性变形过程中，还会发生扩展孪生和收缩孪生等变形孪生现象。顾名思义，扩展孪生仅沿c轴方向承受拉应力，在镁合金中较为常见，这是因为其临界分解剪应力相对较低。镁合金中各种滑移和孪生过程的临界分解剪应力比例通常为：基面滑移、锥面滑移、棱柱面滑移、扩展孪生核化、扩展孪生生长、收缩孪生核化以及收缩孪生生长分别约为1:8:4:11:4:30:30[9]。Shi等人[10]发现，像锥面滑移这样的非基面滑移系在室温下，尤其是在塑性变形初期，由于临界分解剪应力较高而几乎不活跃。因此，为了应对宏观塑性应变的需求，镁合金中除了基面滑移外，还会发生扩展孪生等变形孪生现象，以弥补有限的滑移模式[11]。这会在拉伸和压缩状态下引入塑性变形的极性，从而导致镁合金出现“屈服不对称异常”现象[12,13]。正如Kula等人[14]所指出的，由扩展孪生引起的这些异常对晶粒尺寸极为敏感，需要进一步深入研究。除晶粒尺寸外，晶体学织构也在扩展孪生核化过程中起着重要作用。Yang等人[15]和Sarebanzadeh等人[16]的研究表明，晶界处的织构诱导的应变不匹配也会在难以变形的晶粒中引发扩展孪生核化。因此，对于由扩展孪生引起的异常的传统认知亟需更新，尤其是在结构和功能应用中持续存在的加载条件下。

镁合金在涉及完全相反的循环应力/应变的动态加载环境中容易发生灾难性失效，这类环境在大多数轻量化结构/工程部件中十分常见，如汽车轴、活塞、航空航天机身等[17,18]。Lei等人[19]的最新研究表明，镁合金在循环加载过程中会出现屈服不对称现象，表现为加载行为的不对称，进而导致部件在室温下发生脆性断裂。这是因为在这种加载条件下，镁合金容易经历孪生/逆孪生循环[20]，从而在其使用寿命期内提前发生疲劳断裂[21]。下文将探讨这一机制的起源与影响。如前所述，扩展孪生的核化和生长所需的临界分解剪应力是不同的。孪生核化是指形成孪生区域并建立与母相晶格的孪生界面，而孪生生长则是已形成的孪生界面的移动[22,23]。扩展孪生的生长所需的临界分解剪应力远远低于其核化所需值。正是这一特性使得镁合金在完全相反的循环加载过程中会出现孪生/逆孪生现象。在初始加载阶段，当施加塑性应力/应变时，基体中会有大量的扩展孪生核化和生长活动[24,25]。除了塑性应力的大小外，应力状态也会影响扩展孪生的核化与生长。Paramatmuni等人[26]指出，当局部应力状态为剪切应力时，其核化活性高于拉伸和压缩应力状态。卸载后加载方向反转时，现有的孪生界面会向相反方向移动，而不是重新核化新的孪生，从而导致孪生区域的缩小[27,28]。这种孪生区域的“逆孪生”现象是自发发生的，因为与孪生核化相比，孪生界面向相反方向移动所需的应力要小得多[29,30]。逆孪生发生后，孪生区域会恢复到其原始的晶体学状态和取向。逆孪生区域的界面会成为塑性应变的集中点，在重复循环加载作用下容易发生失效[31,32]。Hu等人[33]指出，由于复杂的孪生-孪生相互作用以及孪生-滑移相互作用，这类孪生界面运动往往非常复杂，难以捕捉和理解，因此需要通过实验与基于微观结构的模拟相结合的方式进行深入研究。因此，了解并最小化孪生/逆孪生过程对镁合金疲劳寿命的影响至关重要。

以往的研究已经通过实验和基于模拟的技术，研究了循环加载过程中的孪生-逆孪生现象。早期的研究主要侧重于通过实验手段探究孪生-逆孪生过程的作用。Patel等人[34]研究了不同应变幅值下孪生-逆孪生对循环应变硬化行为的影响。在较高应变幅值下，孪生-逆孪生现象更为明显，最终导致试样发生疲劳断裂。最近，Lei等人[35]的研究表明，由于逆孪生过程中产生的伪弹性行为，孪生现象会在宏观上显现出来。Le等人通过对逆孪生机制的原位观察发现，任何晶粒中孪生区域的逆孪生主要受该区域Schmid因数以及应变集中点的存在影响。关于镁合金循环变形机制的研究，很大程度上得益于晶体塑性框架的应用，这类框架能够清晰地解释变形孪生的核化、生长和逆孪生过程。Zhao等人[36]指出，通过引入基于微观结构的模型，可以进一步改进这些框架，以考虑晶界区域、晶粒尺寸等更复杂的因素。Proust等人[37]最早在晶体塑性框架内建立了对孪生和逆孪生过程进行描述的稳健本构模型。他们发现，AZ31镁合金的屈服不对称响应源于路径反转时的应力驱动下的孪生重定向和逆孪生。Wang等人[38]进一步为HCP金属开发了数值方法，其中包含了基于物理的孪生起始与消散模型。通过整合孪生剪切、重定向以及滑移-孪生耦合效应，该模型能够准确再现AZ31合金的各向异性流动和织构演化规律。Cheng等人[39]通过在有限元网格中嵌入孪生层等微观结构细节，提高了这些模型的精度，从而更好地描述了非均匀应力场和晶粒级孪生带的发展规律。他们的模型能够捕捉到孪生形成和逆孪生的高度局部化特征，并将孪生-基体载荷分配与应变局部化、鲍辛格效应等现象联系起来。类似地，Zhang等人[40]通过在弹粘塑性自洽模型中加入背应力分量，成功预测了由孪生-逆孪生过程引发的鲍辛格效应。Abdolvand等人[41]通过对AZ31镁合金的实验和计算研究，进一步研究了孪生核化和逆孪生的机制，分析了其周围的应力重分布和晶格旋转场。他们的研究强调了在建模框架中准确描述弹塑转变和非均匀应力状态的必要性。Qiao等人[42]也在循环变形研究方面做出了类似努力，他们证实，准确描述孪生收缩的动力学过程对于再现加载方向反转时的应力应变滞回曲线及其相关特性至关重要。最近的几项研究[[43], [44], [45]]则强调，需要通过原位技术，如SEM-DIC和同步辐射衍射，对晶体塑性理论进行实验验证。例如，Zhou等人[46]通过晶体塑性模拟和基于DIC的循环弯曲实验，预测了AZ31镁合金的弯矩-曲率曲线和应变分布。他们的研究表明，孪生-逆孪生现象对弯曲板材中孪生体积分数的局部演化具有重要影响，这会影响到弯曲过程中的中性层演化，进而影响弯曲部件的精度和性能。这些研究系统地证明了，所预测的孪生体积分数和重定向织构与多种镁合金的晶粒级实验观测结果是一致的。因此，现代的孪生-逆孪生晶体塑性模型能够准确追踪复杂循环路径下的孪生积累与收缩/逆孪生过程。这类晶体塑性模型为利用数据驱动的方法预测复杂加载条件下的应力应变行为奠定了基础。Tang等人[47]的最新研究表明，基于晶体塑性理论的数据驱动模型能够准确预测镁合金在非比例加载、四点循环弯曲等复杂加载条件下的材料响应。

除了研究孪生-逆孪生过程外，一些研究人员还试图通过解决与之相关的难题来提升镁合金的疲劳性能。例如，Zhu等人[48]通过分析循环变形过程中的滞回环，研究了AZ80合金中析出物对屈服不对称性的影响。他们的研究发现，基体中的析出物可以降低滞回环的整体平均应力，进而影响材料的失效机制。近年来，含有稀土元素的镁合金因其能够抑制不良变形模式而备受关注。Liu等人[49]的研究表明，稀土元素能够从根本上改变基面和非基面位错核化机制，从而提升材料在动态变形条件下的塑性。Mirza等人[50]评估了稀土合金化元素对镁合金疲劳寿命的影响。他们的研究发现，稀土合金化能使滞回环更加对称，因此在完全相反的循环加载条件下，镁合金的疲劳寿命优于以拉伸为主的疲劳工况[51]。He等人[52]发现，WE54合金中含有的稀土析出物会显著影响非基面滑移与基面滑移之间的临界分解剪应力比。他们的研究还发现，在经过热处理后，锥面滑移在循环变形过程中的活性增加，从而使镁合金的疲劳寿命显著提高。Mena等人[53]通过对镁-钕合金循环变形的原位研究，发现微观和纳米级别的稀土元素能够显著改变非基面位错的移动性，而这对于提升镁合金的疲劳寿命至关重要。Smith等人[54]也发现了稀土合金化对镁合金疲劳性能的类似影响。他们通过研究非基面滑移的复杂演化过程以及堆垛故障的钉扎效应，证实稀土元素在镁-钕合金疲劳过程中的循环硬化阶段确实发挥着重要作用。然而，正如Dong等人[55]所指出的，某些析出物也可能对镁合金的疲劳性能产生不利影响。他们发现，稀土添加量较高的镁合金在Mg HCP晶胞的基面处存在析出活性，这会显著增加孪生-退孪生活动，从而降低疲劳寿命。诸如ZK60这样的镁合金中含有长周期堆垛顺序相，这类相可以通过有序强化机制提高疲劳寿命[56]。最近的研究[57]表明，这类合金体系中长周期堆垛顺序相的形状能够为非基面滑移创造障碍，进而抑制裂纹扩展，有可能提升其疲劳寿命。He等人[58]通过研究证明，含有层状长周期堆垛顺序相的稀土镁合金能够有效偏转疲劳裂纹，从而降低裂纹扩展速率，提高部件的疲劳寿命。除了析出作用外，晶粒细化也能影响孪生-退孪生机制的活性。Vasilev等人[59]发现，将ZK60合金的晶粒从70微米细化到5微米后，其疲劳寿命有了显著提升。不过，Rezazee等人[60]的研究表明，由于梯度塑性会对孪生界面的能量产生影响，晶粒尺寸诱导的变形孪生强化机制更为复杂，需要在更复杂的加载条件下进行深入研究。除上述基于微观结构的改进方法外，还有一些研究指出，引入非基面位错也能提升镁合金的疲劳寿命。He等人[61]的研究表明，通过位错转变引入高密度位错，能够有效阻碍长程位错滑移，从而减少晶内断裂，进而显著提高纯镁的疲劳寿命。尽管人们普遍认为稀土合金化与晶粒细化相结合能够形成具有优异力学性能的微观结构，但仍有部分问题尚未得到解答，其中包括：(a)晶粒细化到超细晶粒级别后会对疲劳性能产生何种影响；(b)不同晶粒尺寸区域如何影响疲劳寿命各阶段复杂的孪生-退孪生机制；(c)在疲劳循环过程中，受晶粒尺寸控制的变形过程在多大程度上决定了运动学屈服不对称性的发展，进而影响其疲劳寿命；(d)如何利用晶体塑性模型来理解依赖晶粒尺寸的微观力学机制？本研究旨在通过深入的实验、微观结构分析以及晶体塑性分析来回答上述问题。研究中建立了从常规粗晶粒到超细晶粒三种不同晶粒尺寸的稀土镁合金的循环变形行为。通过对不同晶粒尺寸区域的低周疲劳进行实验和晶体塑性有限元模拟，研究了完全反向循环变形的调控机制，如孪生核形成与生长、退孪生以及位错滑移。这些机制与其对工程化微观结构疲劳寿命过程中运动学屈服不对称性的影响之间建立了关联。对这些复杂机制的晶粒尺寸敏感性分析表明，通过微观结构设计来提升其疲劳寿命是必要的。本文的研究计划如图1所示的流程图所呈现。本文结构如下：第2节详细介绍了本研究采用的实验方法，包括材料加工、力学/疲劳测试以及微观结构表征。第3节介绍了用于多尺度分析的晶体塑性有限元模型、其理论基础，以及为本研究开发的晶粒尺寸敏感硬化模型。第4节展示了单调加载和循环加载试验的实验结果及晶体塑性模拟结果。第5节全面详细地分析了每种工程化晶粒尺寸区域中观察到的各种循环变形微观机制及其对宏观变形行为的影响。最后，第6节总结了本研究的主要发现。