《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of corrugated-flat rolling on the microstructure evolution and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy plate
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该研究提出了一种将波纹轧制（Corrugated Rolling, CR）与平辊轧制（Flat Rolling, FR）相结合的新型复合加工技术，以缓解AZ31镁合金板材在轧制过程中形成的强烈基面织构（basal texture）。基于建立的波纹轧制模型所开展
该研究提出了一种将波纹轧制（Corrugated Rolling, CR）与平辊轧制（Flat Rolling, FR）相结合的新型复合加工技术，以缓解AZ31镁合金板材在轧制过程中形成的强烈基面织构（basal texture）。基于建立的波纹轧制模型所开展的有限元模拟结果表明，von Mises应力分布呈现10 mm的峰值间距，与波纹辊的几何周期性一致。微观结构表征显示，将波纹轧制压下率从10%增加至50%，动态再结晶（Dynamic Recrystallization, DRX）分数从13.1%显著提升至61.7%，平均晶粒尺寸从16.49 μm细化至3.07 μm。同时，柱面〈a〉滑移系和锥面〈a〉滑移系的Schmid因子分别从0.391和0.435增加至0.401和0.443。后续平辊轧制后，50% CR+FR板材的基面织构强度降至11.41 mrd，明显低于10% CR+FR板材的18.74 mrd。波纹轧制引入的周期性剪应变促进了动态再结晶、晶粒细化和基面织构弱化，而平辊轧制则稳定了改性后的微观结构。此外，随着预波纹轧制压下率的增加，拉伸性能显著改善：极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）和屈服强度（Yield Strength, YS）分别从10% CR+FR试样的223 MPa和178.4 MPa提升至50% CR+FR试样的282.9 MPa和243.3 MPa，而延伸率（Elongation, EL）保持在17.1%。这些结果证明了CR-FR工艺用于生产高性能AZ31镁合金板材的可行性。
镁合金作为21世纪绿色轻质材料的核心候选材料，因其低密度、高比强度和优异的电磁屏蔽性能，在航空航天、新能源汽车及3C电子领域具有不可替代的优势。其中，变形镁合金尤其是AZ31系列，因其适中的室温成形性和耐腐蚀性而成为工业应用的主要候选材料。然而，传统的对称轧制和热挤压轧制通常会诱发强烈的基面织构（即(0001)晶面平行于轧面的择优取向），导致明显的力学各向异性和有限的延伸成形性（延伸率 rarely 超过15%），严重制约了其在复杂结构件中的应用。
近年来，差速轧制、交叉轧制和等通道角轧制（Equal Channel Angular Rolling, ECAR）等新技术通过优化变形路径和引入可控剪应变，在晶粒细化方面取得了显著进展，但这些方法在减弱基面织构强度方面存在固有局限性。例如，高比例差速轧制虽可实现AZ91合金的微米级晶粒细化，但高温下β相溶解导致的晶粒粗化问题突出；交叉轧制虽可降低基面织构强度，但多道次操作的加工复杂度呈指数增长且存在疲劳寿命降低风险；等通道角弯曲工艺虽能将基面织构强度抑制至较低水平，但单一路径应变导致微观结构梯度显著，后续退火反而加剧基面织构。此外，大应变加工技术如高压扭转（High-Pressure Torsion, HPT）虽可实现亚微米级晶粒细化，但过高位错密度促进微裂纹形核且受限于试样尺寸；不对称轧制技术虽能激活非基面滑移系，但存在工艺窗口窄、辊系同步精度要求苛刻等关键局限。更为关键的是，温度梯度效应、动态再结晶和织构演变在连续轧制过程中的相互交织机制尚不清楚，严重制约了工业规模化生产的工艺稳定性。
在此背景下，波纹轧制技术作为一种基于波纹辊独特几何特征的新型轧制成形技术，主要通过在金属复合板制造领域得到发展。波纹辊的特殊几何结构能够在板材表面层内引入周期性梯度剪应变场，有效激活柱面〈a〉和锥面〈a〉滑移系，同时实现镁合金的晶粒细化和基面织构弱化。然而，将波纹辊轧制技术应用于单一金属板材的系统研究仍显不足，此类加工条件下的微观结构演变机制缺乏系统阐释。基于此，研究人员采用波纹轧制工艺加工AZ31镁合金板材，系统研究了CR-FR加工框架内应变梯度非均匀性、动态再结晶和晶体学织构演变之间的多尺度耦合关联，特别量化了预波纹应变对基面滑移Schmid因子分布及非基面滑移系激活倾向的影响，并通过后续平辊轧制后的室温拉伸试验评价了CR诱导的微观结构和织构变化对最终拉伸响应的影响机制。
本研究使用的AZ31镁合金板材由双辊连铸技术制备，初始厚度为6.88 mm，化学成分中Al含量3.01 wt%、Zn含量0.94 wt%、Mn含量0.33 wt%。试样经400 °C均匀化退火3 h后，在辊径320 mm的二辊轧机上进行轧制。波纹辊采用振幅1.5 mm的正弦轮廓，试样在400 °C预热30 min后进行10%、30%和50%压下率的波纹轧制（轧制速度0.1 m/s），随后经三道次平辊轧制至终厚度1.6 mm。研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于Abaqus 2020建立的热-结构耦合有限元模型（采用Johnson-Cook本构模型和C3D8RT单元类型，库仑摩擦系数0.3），用于模拟波纹轧制过程中的应力场分布；光学显微镜观察（Leica DM2700 P，采用苦味酸-醋酸-乙醇-水腐蚀剂）和电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）表征（Zeiss扫描电子显微镜，Channel 5和AZtecCrystal软件分析），用于获取晶粒尺寸、再结晶分数、晶界特征、织构强度、核平均取向差（Kernel Average Misorientation, KAM）及Schmid因子等微观结构参数；以及按照ASTM E8/E8M-09标准在Shimadzu AGX-100 kN万能试验机上进行的室温单轴拉伸试验（应变速率对应十字头速度1 mm/min，每种条件3次重复试验）。
**有限元模拟结果**
有限元分析采用热-力学耦合方法揭示了波纹轧制压下率对AZ31镁合金板材应力分布的影响规律。10%压下率时，局部应力峰值与低应力区交替出现，形成离散的高应力区；30%压下率为过渡阶段，应力均匀性开始发展，高应力区逐渐相连但仍保留可辨梯度；50%压下率时，高应力区融合为连续覆盖波纹结构的区域，并与中等应力过渡区梯度连接。应力-距离曲线定量显示，50%压下率时应力波动幅度显著降低，稳定的峰值间距为10 mm，与波纹周期性匹配。这一对应性确认了轧制压力沿波峰-波谷方向的有效分解，促进了局部塑性流动并降低了加工硬化。
**微观结构演变**
微观结构表征揭示了随波纹轧制压下率增加而发生的显著梯度演变特征。10%压下率时，逆极图（Inverse Pole Figure, IPF）显示典型的非均匀塑性变形特征，晶粒形态呈现明显各向异性，平均晶粒尺寸16.49 μm，最大晶粒达44.45 μm，变形机制为位错滑移主导，局部剪应变不足以达到动态再结晶的临界条件。30%压下率时，剪切带密度显著增加，细晶区域在变形区内呈链状排列，平均晶粒尺寸降至11.15 μm，原始粗大晶粒在周期性剪应变路径下发生碎化，通过亚晶旋转和合并的连续动态再结晶（Continuous Dynamic Recrystallization, CDRX）机制演化为等轴细晶。50%压下率时，微观结构发生根本性转变，平均晶粒尺寸显著细化至3.07 μm，最小晶粒达到亚微米级（0.89 μm），晶粒尺寸分布主要集中于0~3 μm范围，变形机制从位错滑移主导转变为动态再结晶控制。
**晶界特征与动态再结晶分析**
动态再结晶分布图显示，10%压下率时亚晶粒占49.5%，再结晶晶粒13.1%，变形晶粒37.4%；30%压下率时再结晶晶粒沿剪切带形核生长，面积分数达19.1%，亚晶粒57.2%；50%压下率时再结晶晶粒占主导地位达61.7%，形成均匀的等轴结构，变形晶粒仅5.5%，残余亚晶粒作为过渡结构存在于新晶界附近占32.8%。晶界取向差分析表明，低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LAGBs, 2°<θ<15°）比例从10%压下率的73%降至50%的63%，高角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs, θ≥15°）从27%增至37%，亚晶通过旋转-合并机制形成相互连接的高角度晶界网络。
**织构演变与滑移系激活**
极图分析显示，基面(0001)织构极密度随预变形量增加而系统降低。10%压下率时基面织构最大强度14.44 mrd，c轴沿法向集中；30%时降至12.42 mrd，c轴部分向横向倾斜；50%时基面(0001)织构强度急剧降至10.04 mrd，柱面〈a〉和锥面〈a〉晶面取向分布大幅扩展，形成多峰织构组分，c轴完全偏离法向，峰值仅3.81 mrd，晶粒取向随机化程度显著提高。核平均取向差分析显示，平均KAM值从10%压下率的1.07降至50%的0.5，低KAM区域大幅扩展，表明高度均匀的应变场和动态再结晶的高效激活。
Schmid因子分析揭示了滑移系激活的内在关联。随压下率从10%增至50%，各滑移系的平均Schmid因子呈渐进增加趋势：柱面〈a〉滑移从0.391增至0.401，锥面〈a〉滑移从0.435增至0.443。10%压下率时锥面〈a〉滑移系虽具有最高平均Schmid因子（0.435），但有限动态再结晶和相对集中的变形路径仍利于基面织构保留；50%压下率时，多轴剪应变改变局部应力状态，显著增强了柱面〈a〉和锥面〈a〉滑移系的激活概率，促进再结晶晶粒取向随机化，降低c轴集中度，从而减弱基面织构极密度。
**平辊轧制的后处理效应**
波纹轧制后经三道次平辊轧制的板材显示，随CR压下率从10%增至50%，粗大晶粒逐步细化但幅度有限（进入亚5 μm尺度后变形参数难以进一步显著减小晶粒尺寸）。基面(0001)织构对比分析表明，CR后继以FR显著弱化基面织构强度，最大基面织构强度从18.74 mrd降至11.41 mrd。这种织构弱化效果超过常规平辊轧制的有效性，源于波纹轧制引入的周期性应变放大了结构空间非均匀性，促进了晶体取向分布的随机化，特别是在板材厚度方向上。
**力学性能评价**
室温拉伸试验结果表明，随CR压下率增加，工程应力-应变曲线的流动应力水平和断裂应力逐步提高，而断裂应变保持相对稳定。极限抗拉强度从10% CR+FR的223 MPa增至30%的267.6 MPa和50%的282.9 MPa；屈服强度相应从178.4 MPa升至219.4 MPa和243.3 MPa；延伸率波动有限，从18.6%变为16.18%再恢复至17.1%。50% CR+FR试样表现出最佳综合拉伸性能，这与该条件下最高的动态再结晶分数、最细的晶粒尺寸、最均匀的KAM分布以及FR后最低的基面织构强度相对应。这种强度-塑性的同步改善归因于：晶粒细化提供的Hall-Petch强化效应、高角度晶界增加和局部应变集中降低带来的变形协调性改善、以及弱化基面织构和增大的非基面滑移Schmid因子促进的非基面滑移参与。
**讨论与结论**
研究讨论部分系统阐述了波纹轧制引入的周期性剪应变场与动态再结晶、织构演变及力学性能之间的内在关联。研究人员指出，波纹轧制的独特几何特征通过波峰-波谷的周期性变化，在板材表面层内形成梯度剪应变场，这种非对称应变路径有效激活了柱面〈a〉和锥面〈a〉等非基面滑移系，改变了传统轧制中基面滑移主导的变形模式。高压下率条件下，多维剪应变促进的动态再结晶不仅细化了晶粒，更重要的是通过再结晶晶粒的随机取向分布瓦解了强烈的基面织构，而平辊轧制的后续处理则进一步稳定了这种改性微观结构。研究特别强调了Schmid因子重分布与滑移系选择性激活之间的对应关系，认为这是理解织构弱化机制的关键。
研究结论部分明确指出：（1）波纹轧制过程在板材中引入周期性剪应变场和异质变形，随压下率增加而更加显著；50%波纹轧制压下率时产生明显的高应变区，促进动态再结晶并激活非基面滑移系，动态再结晶分数从13.1%增至61.7%，平均晶粒尺寸从16.49 μm细化至3.07 μm。（2）CR-FR序贯工艺有效弱化AZ31板材基面织构，且弱化效果随CR压下率增加而增强；50% CR后继以FR，基面织构强度降至11.41 mrd，明显低于10% CR+FR的18.74 mrd，这与周期性剪切变形、再结晶及柱面〈a〉和锥面〈a〉滑移系增强激活的协同效应密切相关。（3）在本研究的拉伸加载范围内，结果进一步证实了CR-FR工艺的有效性和实用潜力；随CR压下率从10%增至50%，极限抗拉强度和屈服强度分别从223 MPa和178.4 MPa提升至282.9 MPa和243.3 MPa，而延伸率保持在17.1%左右；50% CR+FR试样展现出最佳综合拉伸性能，证明CR-FR路线能够将微观结构细化和织构弱化转化为优异的强度-塑性平衡，是AZ31镁合金板材应用的 feasible 且具有优势的策略。
