镁科研：稀土镁合金板材ZE10的循环加卸载行为

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚度及绿色环保可回收等特点，在交通、航空航天和电子产品等对轻量化有强烈需求的领域具有很好的应用前景。然而，现有的商用Mg-Zn-Mn系镁合金由于具有强烈的基面织构，室温成形性能较差。通过添加少量稀土元素，减弱基面织构的强度，制备具有良好塑性的变形镁合金成为新的研究热点。非弹性行为会严重影响材料的阻尼系数、回弹和疲劳性能等，是镁合金结构件精确成形的关键影响因素。与传统的镁合金相比，稀土镁合金由于初始基面织构减弱，面内拉伸时，滑移和孪晶机制均会启动，很可能会表现出不同的非线性卸载行为。然而，目前的相关研究几乎都是采用实验手段针对非稀土镁合金的卸载过程开展的。此外，镁合金的卸载非弹性性能涉及弹塑性本构，与滑移、孪晶和去孪晶等微观变形机制密切相关，而现有的VPSC晶体塑性模型无法描述该特征。

最近，来自德国材料研究所的Dirk Steglich博士和上海交通大学汪华苗副教授等人采用实验和晶体塑性模拟相结合的方法，系统研究了稀土镁合金ZE10(Mg+1%Zn+0.3%Ce)板材的加卸载行为。实验研究结果表明，ZE10板材的c轴从ND方向向TD方向发生了45°偏转，呈现弱基面的双峰织构（见图1），具有优异的成形性能，可在室温下进行深冲；卸载过程中表现出了与商用AZ31镁合金不同的卸载力学性能。此外，上海交通大学汪华苗副教授等人开发出了EVPSC-TDT模型，为模拟镁合金的非弹性力学行为和分析微观变形机制提供了理论模型。

图1 ZE10的微观组织和初始织构

系统研究了ZE10板材的单调拉伸和压缩力学行为，并根据RD方向拉伸（RD-T）和压缩（RD-C）的实验结果，拟合得出EVPSC-TDT模型的硬化参数，如表1所示（拟合和实验应力-应变曲线见图2a）。根据EVPSC-TDT模型预测了TD方向的拉伸（TD-T）和压缩（TD-C）应力-应变曲线，预测结果与实验结果吻合良好（见图2b），验证了该模型的准确性。变形后的织构表明，沿RD方向拉伸时的主要变形机制为滑移，其织构与变形前的初始织构类似；沿RD方向和TD方向压缩时的主要变形机制为孪晶，由于晶粒旋转了90°，导致织构发生了较大变化；沿TD方向拉伸时的织构演变则介于上述两者之间。这一现象与AZ31明显不同，AZ31由于具有强烈的初始基面织构，面内拉伸变形时几乎没有孪晶启动。

表1 EVPSC-TDT模型的硬化参数拟合结果

图2 RD和TD方向拉伸应力-应变曲线和变形后的织构

系统研究了ZE10板材拉伸-卸载-再拉伸(L-UL)力学行为，并采用EVPSC-TDT模型对变形过程进行了模拟，如图3所示。结果表明，该模型能够很好地再现加卸载过程的应力-应变曲线，在加卸载过程中呈现出显著的迟滞环，并且TD方向的非弹性应变大于RD方向。ZE10板材拉伸-卸载-再拉伸的非弹性应变和弦线模量对迟滞环的变化关系如图4所示。结果表明，随着变形持续进行，非弹性应变逐渐降低，弦线模量逐渐增加；TD方向比RD方向的非弹性应变更大，而弦线模量更小，这主要是由于TD方向拉伸比RD方向更有利于孪晶的启动。

图3 实验和模拟的L-UL拉伸应力-应变曲线：(a) RD方向，(b) TD方向

图4 实验和模拟的L-UL拉伸：(a) 非弹性应变，(b) 弦线模量随着变形的变化关系

为了研究去孪晶对非弹性行为的影响，分别模拟了考虑去孪晶、不考虑去孪晶的加载-卸载变形过程。由于拉伸过程中的孪晶较少，去孪晶对非弹性应变的影响几乎可忽略，如图5a-c所示；而压缩过程中去孪晶对非弹性应变有非常显著的影响，如图5d-f所示。由图6可以看出，压缩时孪晶机制占主导作用，因此后续的卸载-再加载过程中去孪晶对变形的影响显著；而拉伸时孪晶机制较少，因此后续的卸载-再加载过程中去孪晶对变形的影响也不大。图7显示了非弹性应变在拉伸、压缩时的变化趋势，压缩变形时逐渐增加，而拉伸变形时却逐渐降低，各个方向的非弹性应变显示出明显的各向异性。

图5 考虑和不考虑的应力-应变曲线：(a) RD-T，(b) TD-T，(c) 45°-T，(d) RD-C，(e) TD-C，(f) 45°-C

图6 变形机制的相对活动率：拉伸L-UL(a) RD，(b) TD，(c) 45°；压缩L-UL(d) RD，(e) TD，(f) 45°

图7 非弹性应变的变化趋势：(a) 拉伸L-UL，(b) 压缩L-UL

综上所述，本文通过实验和晶体塑性模拟相结合的方法系统研究了ZE10板材沿着RD、TD和45°方向的拉伸、压缩加卸载过程中的非弹性变形行为。研究结果表明，ZE10的非弹性变形与加载路径密切相关，具有显著的各向异性及拉压不对称性，压缩加载-卸载时的迟滞环大于拉伸的，TD和45°方向的拉伸加载-卸载迟滞环大于RD方向，TD和45°方向的压缩加载-卸载迟滞环小于RD方向。非弹性应变的大小主要取决于滑移、孪晶和去孪晶等微观变形机制相对活动率的不同。