《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructural Evolution and Mechanical Behavior of Twin Roll Cast AZ31 Magnesium Alloy Sheets: An Insightful Analysis Based on the RC–Sachs Model
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双辊铸造AZ31镁合金板在热轧过程中微观结构演变与力学各向异性关系研究。通过实验与RC-Sachs模型揭示动态再结晶和基面取向强化主导的高强-高韧协同机制，建立微结构-性能预测框架。
王少柱|杨佩凯|侯勇|何颖杰|王文凯|张文聪|魏磊|王大振|陈文臻
青岛理工大学机械与汽车工程学院，中国青岛266520
摘要
双辊铸造（TRC）AZ31镁合金板材结合了高加工效率和微观结构的均匀性，为先进的成形工艺和高端结构应用提供了巨大潜力。然而，热轧过程中由织构引起的各向异性演变以及同时实现高强度和延展性的潜在机制尚未得到充分理解。在本研究中，通过综合实验和基于机制的建模系统地研究了TRC AZ31板材在热轧过程中的微观结构演变和各向异性力学响应。详细表征表明，动态再结晶（DRX）引起的晶粒细化和基面<0002>//TD织构的强化主导了轧制板材的力学响应和各向异性。热轧显著提高了屈服强度和抗拉强度，而强化的基面织构限制了延展性，导致了具有明显方向依赖性的强度-延展性权衡。为了阐明滑移和孪晶形成之间的相互作用，我们开发了一个放宽约束的Sachs（RC-Sachs）本构模型，该模型结合了织构统计、滑移-孪晶激活和晶粒尺寸效应。该模型准确再现了不同织构状态下的取向依赖性应力-应变响应，平均误差低于5%，并定量捕捉了受织构控制的变形机制转变。进一步分析表明，适度弱化基面织构并结合晶粒细化是实现同时具有高强度和延展性的有效途径。这项工作为镁合金板材的集成优化和性能导向设计建立了力学基础和预测性建模框架。
引言
随着航空航天、汽车和消费电子领域对轻质高强度材料需求的持续增长，镁合金因其低密度、高比强度和优异的可回收性而受到越来越多的关注[1]。其中，AZ31合金具有良好的热加工性能和成本效益，已成为应用最广泛的轧制板材之一[2]、[3]、[4]。为了满足大规模镁板材高效制造的需求，双辊铸造（TRC）作为一种重要的宽幅板材生产方法逐渐取代了传统的铸锭-热轧工艺[5]、[6]、[7]。与传统热轧板材相比，TRC AZ31板材通常具有更细的初始晶粒尺寸、更分散的织构和更高的微观结构均匀性，这有助于改善应变适应性和延展性潜力[8]。结合后续的热轧处理，DRX介导的晶粒细化得到进一步增强，织构演变也可以被调控，从而提高板材的整体力学性能和尺寸稳定性[9]、[10]、[11]。因此，TRC和热轧的集成工艺在宽幅镁合金板材的微观结构控制和性能提升方面显示出巨大潜力[12]、[13]、[14]。
然而，由织构演变引起的力学各向异性仍然是限制工程应用的关键问题[15]、[16]。与传统具有强基面织构的板材相比，TRC AZ31板材在热轧过程中表现出更分散和明显的初始织构，这种织构倾向于向<0002>//ND方向聚集[17]、[18]。这种演变一方面降低了平面内的屈服各向异性，但同时也减少了基面滑移的贡献，导致加工硬化能力和延展性降低[19]；因此，强度-延展性响应及其相互制约的特性呈现出更复杂的演变路径，并具有明显的方向依赖性[20]、[21]、[22]。同时，包括与微观结构细化相关的晶界强化和极性依赖的孪晶激活在内的效应也影响力学响应和硬化行为。因此，阐明方向各向异性及其对强度和延展性的影响，并建立预测性的微观结构-性能关联模型，对于实现可控的高性能宽幅镁合金板材成形至关重要。
然而，这些机制的同时作用使得力学响应对微观结构状态非常敏感，这对预测性建模提出了重大挑战[23]。现有的本构方法大致可以分为宏观现象学模型和微观结构解析的晶体塑性模型。前者，如Ludwik、Voce、Chaboche和Johnson–Cook模型，能够有效描述FCC/BCC金属的应力-应变响应，但难以捕捉HCP材料的织构效应[24]、[25]、[26]。后者，包括Lebensohn和Tomé提出的粘塑性自洽（VPSC）框架[27]和晶体塑性有限元方法（CPFEM）[16]、[28]，提供了模拟变形机制和织构演变的全面能力。然而，这些框架派生的模型，如PTR[29]和VFT[30]，存在计算成本高、参数依赖性强和工程适用性有限的缺点。相比之下，Barnett提出的半解析Sachs模型通过引入取向依赖的力学响应，在保真度和效率之间取得了平衡，为描述受织构控制的流动和屈服提供了实用途径[31]。基于此基础，我们之前将该模型应用于ZK61镁合金在不同织构状态下的应力-应变响应计算[32]。Jia等人[33]和Kesarev等人[34]也报道了AZ31和多晶Mg的拉伸和压缩行为的相关应用。此外，在我们之前的工作中，我们结合了晶粒细化强化和取向因子演变，建立了一个适用于多种微观结构状态的RC-Sachs模型，能够定量预测ZK61在不同织构和晶粒尺寸条件下的力学响应[35]。
为了更深入地了解TRC AZ31镁合金板材在热轧过程中的微观结构演变及其对平面内各向异性的影响，本研究系统地研究了整个热机械过程中晶粒结构和织构的演变。在RC-Sachs框架的基础上，我们建立了一个明确考虑织构效应、晶粒细化强化和孪晶演变的微观结构-性能预测模型。通过将实验表征与定量建模相结合，阐明了微观结构属性与各向异性力学行为之间的耦合关系。这些发现为TRC AZ31镁合金板材的热轧工艺优化和性能调整提供了力学理解和实际指导。
部分摘录
材料
起始材料为TRC AZ31镁合金板材，初始厚度为5.5毫米。经过420°C下等温退火6小时应力释放后，板材通过多道次可逆热轧处理。每次轧制的压减量为0.5毫米，最终得到4.5毫米、3.5毫米和2.0毫米的中间和最终厚度。热轧在六辊可逆轧机上进行，工作辊直径为400毫米，辊筒宽度为1450毫米，带速为60米/分钟。为了确保均匀性
轧制过程中的微观结构演变
图2展示了不同热轧道次后TRC AZ31镁合金板材的表面EBSD微观结构，对应厚度分别为5.5毫米、4.5毫米、3.5毫米和2.0毫米。该图还总结了每个阶段的整体织构演变和晶粒尺寸分布统计。结果表明，在热轧过程中，AZ31合金从粗大的混合晶粒结构转变为细小均匀的再结晶微观结构，同时伴随着从扩散纤维结构的演变
基于微观结构的RC–Sachs模型的开发与校准
为了阐明在不同微观结构状态下控制AZ31力学响应的微观结构机制，量化织构和晶粒尺寸对屈服和延展性的耦合效应，并为旨在性能控制的工艺设计提供一个分析上可行的预测模型，我们在Barnett的Sachs模型框架内开发了一个RC-Sachs模型，该模型考虑了多种滑移系统和{10–12}种拉伸孪晶形成。模型参数通过
结论
本研究系统地阐明了双辊铸造（TRC）AZ31镁合金板材在热轧过程中的微观结构演变、主要变形机制以及强度-延展性协同作用之间的内在关系。通过将实验表征与基于机制的建模相结合，我们开发了一个RC-Sachs模型来预测材料的力学响应，建立了微观结构特征与力学性能之间的定量联系
CRediT作者贡献声明
张文聪：撰写 – 审稿与编辑。魏磊：撰写 – 审稿与编辑。何颖杰：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。王文凯：撰写 – 审稿与编辑。王大振：撰写 – 审稿与编辑。陈文臻：撰写 – 审稿与编辑。侯勇：撰写 – 审稿与编辑，验证，形式分析。王少柱：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。杨佩凯：撰写 – 初始草稿，验证，方法论，研究，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52575369）和山东省自然科学基金（项目编号ZR2025LGY006和ZR202201097）的支持。同时，我们也感谢山东天元重工有限公司提供的技术支持。
