《Journal of Alloys and Compounds》：Quantifying the Role of Texture in the Compression Anisotropy of AZ31 Mg Alloy via Crystal Plasticity Finite Element Modeling
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镁合金塑性变形各向异性机制及 CPFEM 模拟研究。通过压缩试验与晶体塑性有限元模拟（CPFEM），系统揭示了 AZ31 合金不同织构下变形机制（滑移/孪生）的贡献规律，发现基面滑移与延伸孪生主导各向异性演变，且织构类型和取向相对于加载方向起决定性作用，而织构强度影响较弱。研究成果为镁合金成型工艺优化提供了理论支撑。
传坦|张宇|王冰书|辛仁龙
中国重庆大学材料科学与工程学院轻合金国际联合实验室（教育部资助）
摘要
Mg合金在塑性变形过程中通常表现出明显的变形各向异性，这显著影响了其成形性能。织构是导致各向异性的主要因素，而变形机制的激活则是其根本原因。本研究通过压缩试验结合晶体塑性有限元建模（CPFEM）对四种具有代表性的织构样品进行了研究，以系统探讨变形各向异性。结果表明，CPFEM能够可靠地预测不同织构的力学响应和各向异性行为，并定量评估各种变形机制的贡献。对于轧制板材的压缩试样，各向异性主要受基面滑移和伸长孪晶的激活控制。随着应变的增加，伸长孪晶的相对贡献减小，从而导致各向异性逐渐降低。此外，对60种人工构建的织构进行系统模拟后，建立了织构特征与变形各向异性之间的定量关系。研究结果表明，织构类型及其相对于加载方向的取向对各向异性具有主导作用，而织构强度的影响相对较小。本研究不仅阐明了织构控制变形各向异性的内在机制，还为Mg合金的织构设计和工艺优化提供了理论指导。
引言
Mg合金是最轻的结构金属材料，具有低密度、高比强度和刚度、优异的阻尼性能以及良好的电磁屏蔽性能，因此在汽车、航空航天和电子领域具有广泛应用前景[1]、[2]、[3]、[4]。然而，由于其六方密排（HCP）结构导致独立滑移系有限，它们在室温下的塑性成形性能较差[3]、[5]、[6]。变形各向异性被认为是限制成形性能的关键因素，且受初始织构与特定变形机制激活之间的相互作用强烈影响[7]、[8]。因此，理解这一关系对于推进Mg合金的应用至关重要。
通常，轧制的AZ31 Mg合金具有明显的基面织构，大多数基面平行于法线方向（ND）[9]、[10]、[11]。这种织构显著影响了合金的塑性各向异性以及变形过程中的滑移和/或孪晶形成[12]、[13]、[14]、[15]。以往的研究主要集中在冲压和深拉等板材成形工艺上，阐明了应变各向异性的起源以及不同取向下的成形性能差异[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，在锻造等整体成形工艺中，截面也可能出现显著的不均匀变形[21]、[22]。例如，Rao等人报告称，当AZ31B板材沿轧制方向（RD）和横向（TD）锻造时，样品的截面呈椭圆形[22]。尽管这些现象被归因于不同织构条件下特定变形机制的选择性激活，但研究结论仍存在分歧[23]、[24]、[25]、[26]。这主要是因为传统的实验方法无法精确量化不同变形机制的相对活性和演变过程，从而未能充分理解初始织构在压缩诱导各向异性中的作用。因此，有必要采用先进的模拟方法在微观尺度上研究这些问题。
在各种数值方法中，晶体塑性建模已被证明是阐明变形机制的有效工具。粘塑性自洽（VPSC）模型作为一种平均场方法，可以定量预测特定加载条件下不同滑移和孪晶系统的相对贡献，并被广泛用于研究Mg合金的变形各向异性[27]、[28]、[29]。例如，Choi等人应用VPSC模拟了AZ31沿RD和ND方向的压缩，发现RD方向下的ND应变明显大于TD方向[29]。然而，作为平均场模型，VPSC无法考虑晶粒间的相互作用，也无法捕捉实验中观察到的局部应变分布和形态演变。相比之下，晶体塑性有限元方法（CPFEM）模拟可以同时考虑多种滑移和孪晶模式，并明确考虑相邻晶粒间的应力-应变相互作用，从而为将微观机制与宏观各向异性联系起来提供了更符合物理规律的框架[30]、[31]、[32]、[34]。例如，Ren等人利用CPFEM分析了具有复杂织构的摩擦搅拌焊接接头的变形，成功揭示了织构在异质变形中的内在作用[35]、[36]。
基于此背景，本研究探讨了具有四种不同初始织构的AZ31 Mg合金的压缩变形行为。进行了单轴压缩实验，并建立了相应的三维CPFEM模型以量化各变形机制对各向异性的贡献。此外，还人工构建了60种代表性的织构样品进行系统CPFEM模拟，全面研究了织构类型、强度和取向倾角对变形各向异性的影响。本研究的结果有望为优化锻造工艺和提高Mg合金的成形性能提供理论依据。
材料与实验方法
所使用的AZ31 Mg合金（Mg–3Al–1Zn，重量百分比）为热轧板材，厚度为60毫米。单轴压缩试验在Gleeble 1500D热机械模拟试验机上进行，温度为150°C，应变速率为0.01 s?1。在这些变形条件下，可以激活多种变形机制（包括非基面滑移），而动态再结晶过程基本被抑制[27]、[37]、[38]。试样为直径8毫米、高度为...
模型验证与变形机制
图4展示了实验和CPFEM模拟得到的真实应力-应变曲线。模拟结果成功再现了所有样品的关键力学响应，包括屈服强度和加工硬化行为，表明为每种变形机制分配的硬化参数是合理的。样品S0和S30的屈服强度较高，应力-应变曲线呈凹形，表明滑移在其变形过程中起主导作用。相比之下，样品S60...
变形各向异性机制
图9a显示了在10%应变时每种变形机制对应的累积剪切应变，数据直接来自CPFEM模拟。可以看出，样品S0和S30的变形主要由基面滑移和棱柱滑移主导，而样品S60和S90的变形则由基面滑移、伸长孪晶和棱柱滑移共同作用。这些模拟结果与实验应力-应变曲线（图4）以及微观结构一致...
结论
本研究结合EBSD实验和晶体塑性有限元建模（CPFEM）模拟，系统研究了具有不同织构的Mg合金样品在压缩过程中的变形各向异性及其内在机制。主要结论如下：
(1) CPFEM能够准确再现四种代表性织构样品在不同应变水平下的力学响应和变形各向异性，预测的截面形态也非常准确。
作者贡献声明
王冰书：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。张宇：撰写 – 审稿与编辑，资金申请。传坦：撰写 – 初稿撰写，方法学研究，实验研究，数据分析。辛仁龙：撰写 – 审稿与编辑，实验指导，资金申请，数据分析，概念框架构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金（项目编号：52371004、52401150和52071040）的财政支持。
