高压压缩反向剪切工艺制备超细晶金属板材中的包辛格效应

《Materials Science and Engineering: A》：Bauschinger Effect in ultrafine-grained metallic sheets subjected to High-Pressure Compressive Reverse Shearing process

　　

中文摘要：理解金属板材的变形历史对于评估成形和结构应用中的应力状态至关重要，因为屈服行为和应变硬化行为都受到先前塑性变形的强烈影响。应变路径的反转通常导致屈服强度降低，这一现象被称为包辛格效应。在本研究中，研究人员采用一种 termed 高压压缩反向剪切（HPCRS）的新技术对商业纯铝板材进行了严重塑性变形。该工艺产生了平均晶粒尺寸约为0.8 μm的超细晶微观组织，并形成了以B和B^?组分为主的显著剪切织构。HPCRS过程中固有的周期性载荷反转诱导了显著的包辛格效应，突出了微观组织演变和晶体学织构在控制力学响应中的关键作用，即使在高应变水平下也是如此。超越传统的背应力解释，研究人员进一步使用晶体塑性框架合理解释了所观察到的行为，其中剪切反转过程中单晶屈服面上应力状态的演变自然地导致了不对称屈服，而无需明确引入背应力。这些发现表明，严重塑性变形（SPD）加工板材中的包辛格效应源于位错结构演变、织构发展和组成晶粒的弹塑性响应的共同作用，为大应变下反向加载行为提供了统一的微观组织-力学解释。

论文解读：高压压缩反向剪切工艺制备超细晶金属板材中的包辛格效应研究

金属材料的塑性变形机制与宏观力学响应之间存在本质联系。当外加应力达到材料流动应力时，塑性流动通过晶体学滑移启动。在多晶材料中，这种响应不仅受单个晶粒行为控制，还受晶界相互作用、位错结构演变和内应力场的影响，导致宏观力学行为强烈依赖于变形历史。应变路径反转后，多晶材料在反向加载时通常表现出塑性流动阻力降低，特别是在较小的反向应变下，这一现象即为包辛格效应。该效应表明材料内部保留了使后续塑性流动产生偏置的内应力或结构特征。包辛格效应对于涉及循环或非比例加载路径的应用具有重要的实际意义。在汽车工业中，精确描述反向加载行为对于预测碰撞性能和结构件能量吸收至关重要；在板材成形过程中，弯曲-回弯序列、拉延筋作用和多步成形操作中不可避免地发生应变路径变化，此时包辛格效应在回弹中起主导作用，是影响成形件尺寸精度的主要挑战之一。从机理角度看，包辛格效应传统上归因于先前变形过程中形成的异质位错结构所产生的内应力或背应力。晶界处的位错塞积、极化的位错胞结构和长程内应力被认为是对反向屈服应力降低的主要贡献因素。尽管这种解释成功解释了许多实验观察，但在复杂加载路径和大塑性应变条件下仍不完整。大多数包辛格效应实验研究是在块体样品上通过常规拉压或扭转循环加载进行的，而针对金属板材的研究相对匮乏，这主要源于实验限制而非科学意义不足——对薄板施加面内压缩载荷往往导致过早屈曲，限制了可达到的应变幅度并使受控应变路径反转的实施复杂化。近年来，严重塑性变形（SPD）技术已成为对金属材料施加极大应变的有效途径，可获得超细晶微观组织、高位错密度和显著晶体学织构。然而，尽管对SPD加工块体材料已有广泛研究，SPD对包辛格效应的影响尤其是在板材几何形状中的影响尚未得到充分探索。此外，现有包辛格效应解释大多强调微观组织背应力机制，而基于多晶内单个晶粒弹塑性行为的替代解释受到的关注相对较少。基于晶体塑性的框架表明，载荷反转时的不对称屈服可以自然地产生于单晶屈服面的几何形状、滑移系的激活与去激活以及晶粒内应力状态的演变，即使不明确引入背应力也能解释。在此背景下，本研究旨在研究一种新型SPD工艺——高压压缩反向剪切（HPCRS）加工的金属板材中的包辛格效应。该工艺施加的变形路径能够在压缩约束下实现受控剪切反转，从而克服了与板材相关的屈曲限制。通过将力学测量与详细的微观组织表征和基于晶体塑性的解释相结合，该工作试图为SPD加工金属板材中包辛格效应的起源提供新的见解。该研究发表于《Materials Science and Engineering: A》。研究人员使用商业纯铝（CP aluminum）板材，在500 °C下退火15小时获得平均晶粒尺寸约200 μm的初始组织，然后采用HPCRS工艺进行变形。HPCRS是一种新开发的剪切主导型SPD工艺，能够在单次操作中生产超细晶板材。该装置包括两个冲头：法向/压缩冲头和剪切/振荡冲头。法向冲头提供法向载荷，振荡冲头诱导试样剪切变形。法向冲头具有长垂直通道，长方体试样置于其中，通道约束试样确保在平面应变条件下变形。初始坯料尺寸为15 mm（长）×15 mm（宽）×6 mm（厚度）。振荡模具运动设定为0.01 Hz剪切频率和10 mm振幅。初始施加50 kN法向载荷以将试样固定在垂直通道内，然后线性增加。由于变形过程中试样面积增加，需要不断增加法向载荷以继续变形并避免试样与振荡模具之间滑移。实验中以2 kN/s的恒定法向加载速率进行单循环实验，一个完整循环包含两次应变路径变化，分为四个四分之一循环阶段。在每个四分之一循环结束时分别处理并表征独立试样。通过实时传感器系统监测试样厚度减薄，利用塑性变形体积不变原理推导各道次试样位移变化，并计算机械柔度影响。主要关键方法包括：HPCRS工艺实现超细晶板材制备；EBSD表征分析微观组织演变；维氏显微硬度测试评估力学性能；基于泰勒-林（Taylor-Lin）多晶模型的晶体塑性框架理论分析。研究结果显示，HPCRS在一个完整循环内即可将平均晶粒尺寸从约200 μm细化至约0.8 μm，实现了约两个数量级的显著细化。组织演变遵循位错介导机制，涉及亚晶形成、渐进取向差累积和连续动态再结晶（CDRX），高角度晶界（HAGB）比例逐步增加，再结晶分数持续提高。织构分析显示HPCRS加工样品呈现出以B和B^?组分{FCC剪切织构}为主的显著剪切织构，且随变形增加而持续增强。力学测试显示硬度从初始态的24 HV增加至第四四分之一循环的约62 HV，提高约2.5倍。等效应力-累积等效应变曲线和剪切应力-剪切应变曲线表明，每当剪切载荷方向反转时出现显著强度下降，即包辛格效应，且强度下降幅度随应变增大而减小。定量计算第一、二次载荷反转的包辛格系数分别为β≈0.36和β≈0.20。微观组织定量分析表明，包辛格系数的降低与HAGB分数增加、再结晶分数增加、平均KAM值降低和几何必需位错（GND）密度降低密切相关。在第一四分之一循环结束时，平均KAM为0.725°，GND密度约为1.1×10¹⁴ m^?2，组织以变形晶粒为主，存储位错密度高，产生显著长程内应力。应变反转后，平均KAM增至约0.759°，GND密度增至约1.5×10¹⁴ m^?2，表明变形累积仍主导于回复。至第四四分之一循环，平均KAM降至约0.515°，GND密度降至约6×10¹³ m^?2，再结晶分数增至约87%，表明回复和连续动态再结晶逐渐主导组织演变，降低了长程内应力水平。讨论部分从微观组织和晶体塑性两个角度阐释了包辛格效应的机理。微观组织角度认为，包辛格效应源于变形诱导的长程内应力，随着连续动态再结晶和回复的进行，存储位错密度降低，内应力减小，导致包辛格效应减弱。晶体塑性角度则基于泰勒-林多晶模型框架指出，包辛格效应可解释为多晶中单晶屈服面上的弹塑性应力状态演变过程。在剪切反转时，卸载和重新加载过程中应力状态在屈服面上运动，重新加载后应力状态到达屈服面的平面部分而非顶点位置，由此导致反向屈服应力降低。继续变形驱动应力状态向顶点位置运动，恢复多滑移条件和应变硬化能力。这一解释无需明确引入背应力概念。总结而言，HPCRS被证明是一种有效的严重塑性变形技术，可在单次循环内生产平均晶粒尺寸约0.8 μm的超细晶铝板材。该工艺产生的超细晶板材在反向剪切加载下表现出显著的包辛格效应，特别是在变形早期的应变反转阶段。通过结合微观组织表征和基于晶体塑性框架的理论分析，研究建立了从位错结构演变、织构发展到宏观力学响应之间的统一理解。包辛格效应的衰减与高角度晶界分数增加、再结晶进行和GND密度降低密切相关，而晶体塑性模型则提供了无需背应力假设的机理解释。这些发现为理解大应变条件下反向加载行为提供了统一的微观组织-力学框架，对板材成形工艺中涉及循环加载、回弹控制和反向变形的设计具有重要参考价值。