《Journal of Alloys and Compounds》：Low-cycle fatigue performance of Mg-3Al-1Zn alloy produced by multi-directional forging
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多向锻造（MDF）通过晶粒细化与织构弱化显著提升AZ31镁合金的低周疲劳性能，其应力偏斜降低和滞后能减少抑制裂纹萌生与扩展，尽管塑性略有下降。
何顺|钟颖|吴彦军|朱荣
南京科技大学材料科学与工程学院，南京，210094，中国
摘要
通过应变控制疲劳试验评估了多向锻造（MDF）和传统挤压AZ31镁合金的低循环疲劳（LCF）性能。结果表明，MDF显著提高了AZ31合金的强度，但略微降低了塑性。一般来说，LCF寿命与塑性密切相关。然而，即使塑性降低，MDF样品仍表现出更优异的LCF性能。MDF样品增强的LCF寿命可归因于晶粒细化和织构弱化导致的拉伸-压缩屈服强度不对称性的减小。这使得MDF样品在循环加载过程中具有较低的平均应力和较小的滞后能量。同时，MDF样品具有较大的疲劳裂纹稳定扩展（FCSP）区域，由于高韧性而表现出较大的临界裂纹尺寸。这些都有助于减轻疲劳损伤并延缓疲劳裂纹的萌生和扩展。
引言
镁（Mg）及其合金通常是六方密排（HCP）金属。由于这种晶体结构的低对称性，只有在室温下基面滑移容易激活。然而，它们只能提供2个依赖的滑移系，这限制了其成形性。除了滑移之外，孪生是镁合金中的另一种重要的塑性变形方式。在各种孪生类型中，{10-12}孪生在镁合金中较为普遍。当镁合金受到平行于基面的压缩应力或垂直于基面的拉伸应力作用时[1]，拉伸{10-12}孪生会容易激活。这种极性导致镁合金的拉伸-压缩屈服强度不对称性[2]。屈服不对称性通过压缩屈服应力（CYS）与拉伸屈服应力（TYS）的比值来量化，该比值可低至0.5[3]。对于承受循环加载的结构部件，屈服强度不对称性会导致循环变形的不可逆性，从而可能对材料的疲劳性能产生不利影响。一方面，它会导致拉伸平均应力并促进裂纹的萌生和扩展[4]；另一方面，循环加载下的弱压缩阻力会增加塑性应变的积累[5]。这些因素会导致镁合金的疲劳抗力下降和过早断裂[6]，从而限制了镁合金作为结构部件的应用。因此，减少拉伸-压缩屈服强度不对称性是提高镁合金疲劳性能的有效方法。
减少镁合金拉伸-压缩不对称性的基本原理是抑制压缩过程中的拉伸孪生激活。目前，主要有两种方法来抑制孪生活动。1）晶粒细化是减少拉伸-压缩不对称性的有效方法。刘等人[7]通过低温（150°C）挤压细化了镁合金的晶粒，显著提高了其强度。亚微米级的动态再结晶晶粒通过抑制压缩过程中的{10-12}孪生来减少拉伸-压缩屈服不对称性。2）织构调整，如减弱织构强度和调整织构配置，也有助于减少拉伸-压缩不对称性。王等人[8]通过压缩-挤压工艺减弱了ZK61镁合金的基面织构，促进了拉伸和压缩过程中的基面滑移主导，从而显著降低了屈服不对称性，进而改善了疲劳性能。可以合理推测，晶粒细化和织构调整的结合更能有效减少屈服强度不对称性。刘等人[9]通过简单的热挤压实现了镁-RE合金的晶粒细化和织构随机化。挤压样品的平均晶粒尺寸细化至0.93 μm，形成了几乎随机的织构（最大强度为1.38）。这有效地减少了镁合金的屈服不对称性。然而，添加稀土元素（RE）的成本较高。一些严重的塑性变形（SPD）技术，如等通道角压（ECAP）[10]、[11]和多向锻造（MDF）[3]、[12]，可以同时细化晶粒并减弱织构，大大减少拉伸-压缩不对称性。其中，ECAP工艺会使镁合金的基面相对于加工方向倾斜约55°（剪切织构），这会导致较高的施密特因子并不利地影响材料强度[13]。MDF因其操作简单、无需特殊设备以及具有制造大块材料并将其按比例放大用于工业应用的巨大潜力而受到广泛关注[14]。研究结果[3]、[12]表明，MDF可以有效细化晶粒并减弱织构，从而减少镁合金的屈服不对称性，有助于改善疲劳性能。然而，目前关于MDF的疲劳性能报道较少，其失效机制仍不清楚。因此，本研究的主要目的是通过观察疲劳行为和疲劳断裂来解释MDF对AZ31合金低循环疲劳（LCF）性能的影响。
材料与方法
本研究中使用的初始材料是传统的挤压AZ31B镁合金棒材。从棒材上切割出尺寸为25毫米（横向，TD1）× 20毫米（TD2）× 88毫米（挤压方向，ED）的矩形样品。样品在室温下经过MDF工艺处理。初始锻造方向与挤压方向平行，在连续锻造过程中，每次锻造后加载方向改变90°（即从ED到TD1，再到TD2，再回到ED……）。
结果与讨论
图1a和b显示了挤压样品和MDF样品的微观结构。两者主要由等轴晶粒组成。经过MDF处理后，晶粒尺寸从16 μm细化至6 μm，且晶粒更加均匀。此外，在MDF样品的晶粒中可以观察到孪晶。图1c显示了挤压样品的逆极图，可以看出<-12-10> //ED和<01-10> //ED。这是一种典型的基面织构，其最大织构强度为4.97。MDF样品的织构类型为（
结论
总之，MDF通过晶粒细化和织构弱化减少了AZ31合金的屈服不对称性。与挤压样品相比，MDF样品的强度显著提高，但塑性略有下降。一般来说，LCF寿命与塑性密切相关。然而，即使塑性降低，MDF样品仍表现出更优异的LCF性能。MDF样品较长的LCF寿命可归因于较低的平均应力和较小的滞后能量。
作者贡献声明
何顺：撰写——原始草稿，验证。钟颖：研究。吴彦军：数据整理。朱荣：撰写——审稿与编辑，监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了江苏省自然科学基金（编号BK20161582）和中国江苏省青兰计划的支持。
