《Journal of Materials Science & Technology》：Achieving magnesium alloy sheet isotropy via a multi-DoF forming process
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多自由度成形工艺通过多维剪切变形和均匀金属流动有效抑制了AZ91镁合金板材的强各向异性，使其强度-塑性差异显著降低（从55 MPa-5.4%降至8 MPa-0.2%），同时形成均质等轴晶粒结构。
Fang Chai|Xinghui Han|Chaoyuan Tian|Qifu Chen|Xuan Hu|Wuhao Zhuang|Fangyan Zheng|Lin Hua
中国武汉工业大学光超合金国家重点实验室，武汉 430070
摘要
严重的各向异性源于单自由度加工过程中形成的密集基面纹理，这是轻质镁合金板材广泛应用的主要瓶颈。本文创新性地提出了一种多自由度（multi-DoF）成形工艺，有效实现了AZ91合金板材的各向同性。研究表明，原始挤压的板材由于存在各向异性纹理而表现出明显的各向异性。由于多自由度成形过程中的力总是略微偏离轴向（AD），这些各向异性纹理的c轴与力方向之间存在较大角度，导致这些纹理表现出软取向，从而促进了均匀的非基面滑移激活。这种均匀的滑移行为使得各向异性纹理逐渐向AD方向扩散，最终形成了各向同性纹理。由于变形模式相同，各向同性纹理的比例也较为一致。各向同性纹理显著提高了材料的性能，其强度-塑性的最大差异从原始挤压状态下的55 MPa-5.4%降低到了8 MPa-0.2%。我们的发现有望为实现各向同性提供新的策略，从而提升镁合金板材的应用前景。
引言
航空航天设备正朝着超高速、超大容量和超长航程的方向发展，因此迫切需要高强度的轻质部件。镁合金板材具有重量轻、比刚度高和比强度高的优点，已被广泛用于制造航空航天设备中的关键承重部件，如飞机机身、火箭座舱盖和导弹尾部[[1], [2], [3]]。镁合金板材通常通过单自由度挤压或轧制工艺制造，在这种工艺中，金属主要沿一个方向线性流动，导致晶体沿加载方向优先取向，形成密集的基面纹理，从而产生显著的平面各向异性[4,5]。在后续的冲压过程中，镁合金板材容易出现边缘卷边、厚度不均、壁部开裂和早期失效等问题[[6], [7], [8]]。更严重的是，依赖于镁合金板材最小机械性能的承载能力和服役性能会大幅下降，从而降低航空航天设备的性能。否则，必须增厚这些镁合金板材以弥补其机械性能的不足。相反，如果能够通过创新的加载方式制造出机械性能各向同性的镁合金板材，不仅可以提高板材的后续成形性[[9], [10], [11], [12]]，还能显著提升其承载能力和轻量化水平，以满足新型航空航天设备对超高速、超大容量和超长航程的要求。因此，如何实现机械性能的各向同性已成为镁合金板材研究的核心和难点。
目前已有大量研究致力于通过引入大剪切变形来优化传统的挤压或轧制技术，例如非对称挤压[13]、等通道角压[14]、差速轧制（DSR）[15]和交叉轧制（CR）[16]，这些技术可以有效减弱基面纹理，从而降低挤压或轧制后的镁合金板材的平面各向异性。然而，这些研究仅关注沿挤压/轧制方向的剪切变形，导致大多数晶体的c轴偏离轴向（AD）朝向挤压/轧制方向[17,18]。这会导致切向（TD）的塑性较差，从而使板材表现出较高的平面各向异性。根本原因是这些智能技术仍然属于单自由度加载或单自由度加载的组合，金属流动仍然是单向的，导致不同平面方向的纹理差异较大，各向异性的改善也相对有限。为了在0°、45°和90°方向实现优异的机械各向同性（0°、45°和90°分别表示平行于、垂直于之前的挤压/轧制方向），金属流动必须包括TD、AD和径向（RD）三个方向，并且在不同方向上必须均匀。因此，由于RD和TD产生的大剪切变形，基面纹理可能会显著减弱或消失，晶体取向在所有方向上趋于一致，从而实现镁合金板材的各向同性和机械各向同性。因此，探索实现大剪切变形、多方向金属流动和均匀变形的有效方法是制造优异机械各向同性镁合金板材的关键挑战。
多自由度（multi-DoF）成形工艺通常用于生产复杂的薄壁部件，如齿轮、深沟和法兰[[19], [20], [21], [22]]，本研究首次尝试将其用于制造机械性能各向同性的板材，选择原始挤压的AZ91合金板材作为研究材料。多自由度成形工艺是一种连续的局部塑性成形技术，其原理是上模以一定的倾斜角（θ）围绕垂直机床轴以恒定转速（n）连续振动，并局部接触原始挤压的板材，同时下模以恒定进给速率（v）垂直推动板材[23,24]（图1（a））。在上下模的连续多自由度加载作用下，金属沿AD、RD和TD方向发生多方向流动，使板材厚度减小、直径增大。值得注意的是，多自由度成形工艺可以在板材的不同平面方向引入大的TD-RD耦合剪切变形和均匀的多方向金属流动，有利于实现机械各向同性。我们证明，在多自由度成形的作用下，板材的晶体取向和机械性能的平面各向异性可以在几秒内显著降低。原始挤压方向（ED）上0°、45°和90°不同的晶体取向（分别标记为0°-ED、45°-ED和90°-ED）在几秒内转变为各向同性，基面纹理消失，II型棱柱和II型金字塔纹理转变为I型棱柱和I型金字塔纹理，多自由度成形后的AZ91合金板材在不同方向的强度-塑性最大差异分别降至9 MPa、8 MPa和0.2%，同时厚度减少了40%。上述结果清楚地表明，多自由度成形工艺可以制造出具有优异机械各向同性的镁合金板材，这为制造各向同性金属板材提供了新的策略，有望提升镁合金板材的应用前景。
实验部分
样品制备
原始挤压的AZ91合金坯料成分为8.9Al-0.62Zn-0.30Mn-0.05Si-0.002Ni-0.001Cu（重量百分比），被加工成尺寸为120毫米（长度）× 120毫米（宽度）× 10毫米（厚度）的矩形板材。这些板材首先在电炉中预热至623 K，保持2小时，然后立即在T630设备上进行多自由度成形，倾斜角（θ）为1.5°，进给速率（v）为1毫米/秒，旋转速度（n）为4转/秒，具体参数基于我们之前的研究[23]。
多自由度成形过程中的纹理演变
镁合金中的纹理包括基面纹理、棱柱纹理和金字塔纹理，其三维晶体取向（见补充材料中的图S1(a)）、标准极图（PFs）{0001}（图S1(b)）以及典型纹理的理想极图（图S1(c–e)）。根据不同晶体取向的分布，棱柱纹理和金字塔纹理分别分为I型和II型，其中I型棱柱/金字塔纹理沿着X轴取向
讨论
众所周知，纹理是在塑性变形过程中通过晶体旋转和取向流动形成的，其中旋转方向与滑移系统的激活和应力状态有关。镁合金有四种典型的滑移系统，即基面滑移（(0001)<11?20>）和非基面滑移，包括棱柱<a>滑移（{10?10}<11?20>）、金字塔<a>滑移（{10?11}<11?20>和金字塔<c+a>滑移（{11?22}<11?2?3）。确定哪种滑移系统能够
结论
在本研究中，我们对原始挤压的AZ91合金板材采用了多自由度成形工艺，以实现机械性能的各向同性。系统地研究了多自由度成形过程中的纹理演变。主要结论如下：
(1)多自由度成形工艺使得原始挤压AZ91合金板材中的不同方向的纹理从各向异性转变为各向同性，形成了I型棱柱和I型金字塔纹理，这主要归因于
CRediT作者贡献声明
Fang Chai：撰写——原始草稿，概念构思。Xinghui Han：监督，方法论。Chaoyuan Tian：方法论。Qifu Chen：数据整理。Xuan Hu：验证。Wuhao Zhuang：概念构思。Fangyan Zheng：验证。Lin Hua：概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52405408和U21A20131）以及华中科技大学材料加工与模具技术国家重点实验室（项目编号：P2025-008）的支持。
