• 引文格式：

背景简介

镁合金因其高比强度/比刚度等优良特性而被广泛应用于航空航天和汽车工业等领域。各种变形模式的临界分解剪切应力差异和孪生变形的极性，导致镁合金晶粒尺度力学性能表现出强烈的各向异性，进而使镁合金材料普遍表现出较差的延展性和成型性，这限制了其作为轻质结构金属更广泛的应用。此外，大多数服役的镁合金材料具有初始织构，多塑性机制交互作用和初始织构共同决定其变形特性，影响其构件在服役中的表现。因此，系统地研究镁合金中多塑性机制的交互作用及织构的影响，对于提高镁合金材料的强韧性和抗疲劳性能至关重要。

尽管镁合金的变形行为已被广泛研究，但利用模拟手段分析孪晶、位错滑移及晶界相互作用下的变形机理仍相对有限，尤其是同时考虑织构与循环载荷影响的模拟研究更为稀缺。晶体塑性模型能够有效连接微观位错滑移与宏观力学响应，而相场方法在表征微结构演化方面具有显著优势。因此，晶体塑性-相场耦合模型在研究镁合金变形机制方面展现出巨大潜力。基于此，我们构建了一种能够描述多晶镁合金复杂变形行为的晶体塑性-孪生相场耦合模型，并利用该模型系统研究了单调与循环载荷条件下织构相关的变形机制。

成果介绍

（1）宏观响应与微观机制的联系：1) 在单调拉伸载荷下，基面/非基面滑移和拉伸孪生均明显参与了无织构镁多晶的变形过程；然而，基面织构镁多晶的变形机制与织构角α相关，且不同塑性机制对α的敏感度不同，体现出织构角调控塑性机制的选择敏感性，如图1所示。2) 在单次拉伸-压缩往复载荷下，无织构多晶镁合金的应力-应变响应基本呈拉-压对称；对于基面织构多晶镁合金，α = 0°和90°时，交替主导的塑性机制导致了力学响应的拉-压不对称性；而α = 45°时，基面滑移主导全过程变形，导致了力学响应的拉-压对称性，如图2所示。此外，观察到由解孪导致的明显的非线性卸载行为，如图2a，2b和2d所示。

图1 单调拉伸载荷下无织构和基面织构多晶镁合金系统的力学响应：（a）无织构多晶镁合金系统的应力-应变响应；（b）不同取向基面织构多晶镁合金的应力-应变响应；（c）各种变形模式的平均相对活性和（d）TVF随织构角度α的变化规律，选取了应变为0.5%和1.0%时的数据进行分析

图2 拉伸-压缩循环载荷下无织构和基面织构多晶镁合金系统的应力-应变响应：（a）无织构；（b-d）织构角度分别为0°、45°和90°

（2）分析微结构和应力场演变特征，解析孪晶-位错-晶界协同作用的动态机制：1) 孪生导致局部不均匀应力场，这在晶界和孪晶-孪晶交汇区附近尤为明显（图3和图4），阻碍了解孪。初级孪晶会影响第二阶段孪晶的成核位置，第二阶段孪晶优先在包含初级孪晶的晶粒和残余孪晶的晶界附近成核（图4）。2) 如图3和图4所示，位错滑移，尤其是基面滑移，具有显著的局部变形协调作用，特别是在变形不兼容较强的晶界和孪晶附近。位错滑移对孪生的影响具有双重性，既可以有效释放晶粒内的应力，抑制孪生/解孪变形，又可以通过局部堆积导致应力集中，诱导孪晶形核。3)晶粒间协同变形引起异于Schmid律的局部变形行为，包括孪晶在相邻晶粒中诱导位错滑移，被发生大量位错滑移的晶粒包围的具有较高孪生Schmid因子的晶粒中存在较弱的孪生活动；被变形受限晶粒包围的极低孪生Schmid因子晶粒中出现异常孪晶。

图3 拉伸应变为0.1%、0.5%和1%（依次对应编号A、B和C）时无织构多晶镁合金内：（a）孪晶微结构、（b）孪生分解剪切应力场和（c）等效塑性应变场的分布

图4 拉伸-压缩循环载荷下无织构多晶镁合金内：（a）孪晶微结构、（b）孪生分解剪切应力场场和（c）等效塑性应变场的演化

本文模拟结果反映了多晶镁合金系统中微观结构的演化及其伴随的复杂内应力场分布，阐明了其中与织构相关的变形机制和局部现象。研究结果建立了微结构-力学性能的联系，证明了通过织构工程调控镁合金塑性变形特性的可行性，为制定基于织构设计的镁合金显微组织优化准则提供了理论见解。

致谢

该工作得到了国家自然科学基金（12192210；12192214）和四川省科技计划（No. 2024NSFSC0431）的大力支持。本文第一作者：胡佳晨（西南交通大学），本文通讯作者：徐波（四川大学）、康国政（西南交通大学）。

本期小编 胡佳晨（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

董乃健（发布）