揭示镁合金中与织构相关的断裂机制：一项结合了电子背散射衍射（EBSD）和晶体塑性分析的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Unraveling Texture-Dependent Fracture in Magnesium Alloy: A Combined EBSD and Crystal Plasticity Study

镁合金晶体学取向调控断裂行为机理研究，通过实验与晶体塑性有限元模拟揭示：不同取向导致差异化的滑移/孪生协调变形，引发应变局部化模式改变，进而控制断裂路径选择。该研究建立多尺度关联模型，为镁合金抗损伤设计提供理论支撑。

　　

传坦|张宇|任伟杰|辛仁龙|陈先华

重庆大学材料科学与工程学院，中国重庆

摘要

锻造镁合金的强晶体织构决定了其各向异性的力学性能，但对其在断裂路径选择中的作用仍缺乏预测性理解。本文通过将电子显微镜与晶体塑性有限元建模（CPFEM）相结合，阐明了热轧AZ31镁合金中织构依赖性断裂的微观结构起源。研究了具有四种不同初始织构的拉伸样品（分别记为T0、T30、T60和T90，对应于相对于板材法线方向旋转0°、30°、60°和90°的拉伸方向）。我们发现，宏观断裂形态直接受到应变局部化带的影响，而这些应变局部化带的形成和取向受活性滑移和孪晶轨迹的晶体学排列控制。在T0、T30和T60样品中，紧密排列的变形轨迹使得晶界间的应变兼容性较高，从而形成连续的变形带，引导裂纹扩展。相比之下，在T90样品中，基面滑移和棱柱滑移的近乎正交激活阻碍了应变传递，导致局部应变积累和锯齿状断裂。重要的是，观察到的孪晶轨迹分布的聚集是由晶界间的应变兼容性驱动的，这促进了非Schmid孪晶的激活，而非宏观Schmid法则所 favor 的孪晶类型。这些发现建立了初始织构、局部变形兼容性和宏观断裂之间的直接、多尺度关联，为设计具有更高损伤容忍度的镁合金提供了新的见解。

引言

镁（Mg）合金作为最轻的结构金属，在汽车、航空航天和消费电子应用中对于减轻重量至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，由于它们的六方密排（HCP）晶体结构[6]、[7]、[8]所固有的较差的室温延展性和强烈的力学各向异性，锻造镁产品的广泛应用受到了限制。这种各向异性源于热机械加工过程中形成的明显基面织构，以及激活基面滑移、非基面滑移、滑移和孪晶系统所需的显著不同的临界分辨剪切应力（CRSS）[9]、[10]。虽然这种织构引起的屈服和硬化各向异性已有充分记录[11]、[12]、[13]、[14]，但它对最终断裂行为的深远影响——作为结构完整性的一个关键方面——仍缺乏定量理解。

镁合金的断裂始于微观尺度，由局部应变不均匀性驱动。大量研究将微裂纹萌生与特定的变形模式联系起来，包括基面滑移带[15]、[16]、{10$\stackrel{?}{1}$2}延伸孪晶[17]、孪晶-孪晶相互作用[14]，特别是在双孪晶内部发生强烈应变局部化的情况下[19]、[20]、[21]。这意味着损伤的起始受到局部变形机制激活的控制，而这又取决于初始晶体织构。实际上，对单调加载样品的研究报告了多种断裂形态——从RD拉伸的AZ31的脆性断裂[22]到纯镁的剪切型断裂[23]——这取决于样品相对于加工方向的取向。然而，将给定的初始织构与特定滑移和孪晶系统的激活、由此产生的应变局部化模式以及最终的宏观断裂路径之间的系统性、机制性理解仍然不足。大多数研究仅限于特定取向，未能提供一个预测断裂形态的通用框架。

填补这一空白需要一种能够解析晶粒尺度应力和应变不均匀性的计算方法。平均场模型（如粘塑性自洽（VPSC）方法）在预测宏观织构演变和主导变形模式方面效率较高[24]、[25]、[26]、[27]，但在捕捉晶界处的局部应力集中方面存在固有局限性。相比之下，晶体塑性有限元方法（CPFEM）为模拟多晶体的微观力学响应提供了强大的工具，能够定量分析局部应变分布和活性滑移及孪晶系统的演变[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。这使得CPFEM特别适合于研究断裂的起源。

因此，本研究采用了一种综合实验和CPFEM的方法，建立了热轧AZ31镁合金中初始织构、晶粒尺度变形和宏观断裂之间的直接、机制性联系。我们系统地表征并模拟了具有四种不同初始织构的样品的拉伸变形。通过结合详细的SEM-EBSD表征和高保真CPFEM模拟，我们定量分离了各种变形机制对应变局部化的贡献，并将其与相应的断裂形态直接关联起来。这些发现为理解断裂路径选择的微观结构起源提供了新的基本见解，为通过微观结构设计提高镁合金的损伤容忍度奠定了基础。

实验程序

本研究使用的材料是厚度为60毫米的商业AZ31镁合金热轧板。该板材在400°C下热处理10小时，以消除变形微观结构并确保均匀的等轴晶粒形态。最终的微观结构由具有明显基面织构的等轴晶粒组成（图1a）。为了研究初始织构对断裂形态的影响，沿同一板材的不同方向制备了拉伸样品。

晶体塑性框架

在ABAQUS/Standard中通过用户定义的材料（UMAT）子程序开发并实现了镁的晶体塑性本构模型。该模型基于参考文献[36]、[37]中的公式，并结合了主导孪晶重定向（PTR）方案，以更准确地表示孪晶行为[38]。下面提供了修改后的本构框架的简要概述。

总变形梯度F可以分解为弹性部分F^e和塑性部分F

模型验证

图3比较了所有四种样品取向的实验和模拟应力-应变曲线。CPFEM模型成功捕捉了关键的力学响应，包括屈服强度和应变硬化行为。T0和T30的典型“S形”曲线表明塑性变形主要由延伸孪晶主导，这与它们的低屈服强度相关。相比之下，T60和T90的凸形曲线表明滑移是主要的变形方式。

断裂形态

图10显示了四种样品的宏观断裂形态，显示出明显的织构依赖性。T0（图10a）和T90（图10d）沿着几乎垂直于LD的平面断裂，分别呈现出平坦和锯齿状的表面。相比之下，T30和T60沿着分别倾斜约52°和32°于LD的平面断裂（图10b、c）。所有样品中均未出现明显的颈缩现象，表明宏观塑性不稳定性有限，这验证了统计方法的有效性。

结论

本研究通过结合实验和CPFEM的方法，系统地分离了晶体织构对AZ31镁合金拉伸断裂形态的影响。主要发现包括：

(1)

宏观断裂路径是应变局部化模式的直接结果，而这些局部化模式又由活性变形系统的晶体学排列决定。CPFEM模拟成功捕捉到了不同的力学响应和孪晶轨迹角度分布

作者贡献声明

张宇：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。传坦：撰写 – 初稿撰写，实验研究，正式分析。任伟杰：撰写 – 审稿与编辑，方法论。陈先华：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。辛仁龙：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，正式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

该项目得到了国家自然科学基金（编号52225101、52401150和52071040）的财政支持。