随着汽车、轨道交通等向轻量化、低能耗、高速、高可靠性方向发展，迫切需要高性能的轻量化材料。镁合金作为轻的金属结构材料，具有比强度高、阻尼性能优异、可循环利用等优点，被认为是对钢铁、铝合金、钛合金等传统金属材料的重要补充，以提高运输中的能源效率。然而，镁合金具有密排六方晶体结构（HCP），室温下能够开动的独立滑移系较少，因而在塑性变形时易形成强基面织构导致其室温塑性成形能力差。如何解决塑性加工过程出现的关键基础问题，特别是变形镁合金的微观组织调控机制及晶粒转动机理，已成为当前变形镁合金板材的研究热点和重点之一。为此，研究人员提出了一种基于预变形实现取向调控的方法，在不同应变激活条件下，诱发更多的孪晶取向织构和<c + a> 位错活性，提高镁合金塑性变形能力，为设计高强韧镁合金材料提供新思路，同时也为研发高性能密排六方金属材料提供新途径。

近，重庆科技学院杨青山副教授、西南大学宋波副教授和重庆大学蒋斌教授等人开展合作，利用孪生变形实现镁合金板材织构的改变，进而提升镁合金板材的室温成形性能。研究结果表明，AZ31镁合金板材沿ED预拉伸应变~6%后，可引入拉伸应变梯度，然后采用特定压缩模沿ED方向预压缩~5%应变，产生大量{10-12}孪晶，其面积分数可达~ 65%，预拉伸试样的基面偏离TD约20o，形成具有c轴//ED的{10-12}双取向织构，其抗拉强度达到370 MPa、延伸率29.7%、杯突值6.9 mm，大幅度提高了镁合金板材室温成形性能。

本文系统研究了拉-压预变形对AZ31镁合金板材织构取向演变的影响，结果如图1所示。原始挤压AZ31镁合金板材晶粒为~30 μm的强基面织构，在室温下沿ED进行~6%的预拉伸变形，退火后的样品（PTA样品）为~10 μm的等轴细晶。在静态再结晶过程时，预拉伸变形程度足以引发晶界迁移的异常晶粒长大，预拉伸应变路径引起的高应变梯度激活了应变诱导的晶界迁移。同时，预拉伸应变也激活了c轴向施加应变方向旋转。PTC试样（由PTA样品以相同的应变率沿ED方向进行5mm预压缩得到）形成了一个新的c轴//ED的{10-12}双织构取向，其余晶粒形成较弱的双峰织构，其中{0002}基面织构呈对称分布。623 K退火1 h后，大部分晶粒发生再结晶，再结晶晶粒的面积分数由4%增加到49%。另外，孪晶和位错大量去除，晶粒粗化至~ 20 μm。

图1 AZ31镁合金板材织构取向演变示意图

重点研究了AZ31镁合金的加工硬化行为和成形性能，如图2所示。一般来说，镁合金位错滑移的应变硬化主要变形模式为三个阶段：（1）短弹塑性转变阶段；（2）几乎恒定应变硬化阶段；（3）递减线性应变硬化阶段。应变硬化速率θ=dσ/dε，其中σ和ε分别为真应力和真应变。原始样品平滑阶段的θII和线性阶段的θIII在屈服后，因为短弹塑性过渡而减小。预压缩产生的{10-12}双织构和低屈服强度导致PTCA试样（由PTC样品在 623 K下退火1 h得到）θII阶段的长度和应变硬化速率显著增加。预压缩诱导的{10-12}拉伸孪晶取向有利于基面滑移，增加了基面滑移对塑性应变的贡献，增加了流变应力(σ - σ0.2)。此外，因位错密度的不同和c轴//ED的{10-12}拉伸孪晶织构的影响，在ED方向的载荷作用下，PTCA试样的θIII值高，可提供额外的加工硬化效果，成为位错滑移的障碍。在室温成形性方面，激活{10-12}孪晶活性可导致PTCA样品具有较低的拉伸YSED和较高的面内各向异性。预压缩变形也提高了镁合金室温延性，其中PTCA试样延伸率为29.7%，板材拉伸成形能力比原始试样提高了3倍，IE值为~ 6.9 mm。在//ED应变预压缩过程中，晶粒具有高CRSS值的硬取向，有利于锥面滑移和{10-12}孪晶形成。

图2 镁合金板材加工硬化行为和成形性能效果图

本项目还探索了应力矢量、应变速率和单轴变形方式（压、拉）等因素影响，构建出应变取向几何特征模型，从而驱动镁合金板材晶粒向一定角度偏转，实现织构软化效果。晶粒转动示意图如图3，通过常规加工（挤压或轧制）形成强（0002）基面织构，其c轴垂直于板面；通过梯度应变场区时，受到来自单轴变形垂直于厚度的梯度应变剪切作用。对于镁合金薄、厚板而言，梯度应变剪切都会产生晶粒c轴取向转动。预制孪晶对镁合金板材性能的影响可归结为以下几个方面：（1）预制孪晶的取向。预制孪晶的取向取决于孪生变形过程中的应变路径，通过改变应变路径可以产生多个孪晶取向，对镁合金板材的各向异性和成形性进行调控；（2）孪晶化镁合金板材的再结晶行为。基于孪生变形和滑移变形（预压缩、预拉伸等）的耦合作用，可实现孪晶化镁合金板材的静态再结晶组织的优化，从而进一步提升孪晶织构对成形性能的贡献；（3）孪晶取向和孪晶界。基于多步孪生变形可以实现孪晶取向的随机化和产生大量交叉孪晶界，这种组织不仅可以降低各向异性并提升成形性能，而且还可以实现板材强度的提升。

图3 镁合金晶粒转动示意图

综上所述，本研究利用拉-压取向调控制备AZ31镁合金板材，沿厚度方向的小应变压缩可在基体中引入大量的拉伸孪晶，孪晶的c轴聚集在压缩轴的方向，这种孪生织构可以极大地提升镁合金板材的厚度变形能力，进而提升板材的室温成形性能。孪生引起的取向变化可有效提升镁合金板材的室温冲压成形性能。结合多步孪生变形和热处理，可以进一步调控孪晶取向和片层结构，实现镁合金板材强度和成形性能的优化搭配。

作者简介

作者/通讯作者简介：

杨青山（作者），博士后，重庆市科技学院副教授、硕士生导师，九三学社重庆市沙坪坝区副主委、沙坪坝区政协委员。兼任《Journal of Magnesium and Alloys》《Rare metals》期刊青年编委，先后承担科研项目20余项，发表学论文70余篇，已授权发明30余项，获得省部级奖励5项。

宋波（通讯作者），博士后，西南大学副教授。《Journal of Magnesium and Alloys》期刊青年编委，主持自然科学基金、人社部基金等项目10余项，已在Scr Mater, Mater Sci  Eng A, Mater Des等期刊上发表SCI学术论文60余篇，授权发明4项，获得省部级奖励2项。

蒋斌（通讯作者），重庆大学二级教授/博导，教育部长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才，科技部创新团队负责人，重庆市杰出青年基金获得者。发表SCI论文180余篇，起草制订国际国内标准7项，授权发明40余项，获得国际奖1项、省部级一等奖3项。