強織構六方密排(HCP)金屬的變形機制對材料的力學性能具有決定性影響，尤其是鎂AZ31B合金，其廣泛應用于航空航天、汽車等領域。然而，由于其塑性各向異性顯著，加工與使用性能的控制面臨諸多挑戰。本研究采用原位中子衍射實驗與晶體塑性建模方法，解析了不同加載方向下鎂AZ31B板材的變形機制與力學行為，揭示了基底滑移與孿生行為在不同應力條件下的作用機制，為進一步優化加工工藝提供了理論依據。

本研究由上海交通大學汪華苗課題組聯合韓國忠南國立大學材料科學工程專業完成，利用RAL-ISIS設施ENGIN-X工程衍射儀開展了實驗，并結合EVPSC-TDT模型進行建模分析。通過拉伸加載-卸載實驗，對鎂AZ31B板材在軋制方向(RD)、法線方向(ND)及45°傾斜方向的力學行為及微觀機理進行了系統研究。實驗中獲得的晶格應變與衍射強度數據，為塑性變形機制的解析提供了關鍵證據。該工作以《Crystal plasticity modeling and neutron diffraction measurements of a magnesium AZ31B plate: Effects of plastic anisotropy and surrounding grains》為題發表在國際期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。研究成果為鎂合金加工過程中變形機制的調控提供了理論支持，有助于改善鎂合金在不同方向加載下的力學性能。

鎂AZ31B合金變形機制的實驗探究

研究團隊選用具有典型軋制織構的鎂AZ31B板材，其平均晶粒尺寸約為40 μm，主要織構成分為{002}取向。實驗在英國RAL-ISIS設施的ENGIN-X工程衍射儀上進行，通過拉伸加載-卸載實驗獲取各晶粒組的晶格應變演變和衍射強度數據。實驗中，RD方向平行于軋制方向，主要研究基底滑移的主導效應;ND方向垂直于軋制平面，測試拉伸孿生行為的顯著性;45°傾斜方向旨在激活中等孿生行為，探索多機制共同作用的復雜性。

在RD加載方向，實驗觀察到基底滑移是主要的變形機制，孿生活動較少，且晶粒間的內部彈性應變分布較為均勻。這是因為晶粒的基底取向與加載方向較為一致，滑移系統容易被激活，導致塑性變形行為較為單一。ND加載方向表現出強烈的孿生主導現象，伴隨晶粒間顯著的應變梯度變化。實驗還發現，卸載過程中孿生逆轉引起了非線性應力-應變響應，揭示了孿生和逆孿生行為的動態演變規律。在45°傾斜加載方向，基底滑移與孿生共同主導變形，且孿生活動比ND方向減弱，但仍顯著高于RD方向。

圖1 在T-RD、T-ND 和 T-45 條件下，10% 應變下的變形織構

(以 { 100 }、{ 101 }、{ 102 }、{ 103 } 和 { 002 } 極圖表示)

變形過程中周圍晶粒取向的影響

鎂AZ31B合金在變形過程中，其晶粒間的相互作用顯著影響局部應變分布和塑性機制。研究表明，硬取向晶粒在所有加載方向下均承受較大的內部彈性應變，而軟取向晶粒則通過滑移或孿生方式有效緩解了應力集中。此外，周圍晶粒的取向分布對硬取向晶粒的應變集中效應起到關鍵作用。

在RD加載方向，軟取向晶粒表現出基底滑移主導的低應變分布。由于其施密特因子較高，滑移系統容易被激活，形成均勻的塑性變形。而在ND加載方向，軟取向晶粒通過孿生方式承載較大的塑性變形，表現為高應變區域。這是因為加載方向與晶粒c軸平行時，拉伸孿生變形系統被顯著激活。

硬取向晶粒在加載過程中難以通過滑移或孿生實現變形，其主要承受彈性應變。這種硬取向行為在周圍晶粒取向為軟取向時尤為顯著。45°傾斜加載方向的實驗數據顯示，軟取向晶粒的滑移和孿生活動有效緩解了局部應力集中，而硬取向晶粒則因其變形難度較高，承受了較大的應力負荷，形成內部應變集中區。

圖2 T -45織構下各種變形機制和TVF的預測相對活動與施加應力 ( σ )的關系(基面和柱面滑移以及孿生是主要的變形機制)

鎂AZ31B合金的塑性變形機制建模驗證

為了更深入理解實驗數據并揭示鎂AZ31B合金的塑性變形機制，研究采用了EVPSC-TDT(彈粘塑性自洽-孿生動態演變)模型進行模擬分析。該模型能夠在考慮孿生和滑移系統耦合作用的基礎上，準確預測晶粒取向演變及內部應變分布。

EVPSC-TDT模型將每個晶粒視為嵌入均勻有效介質(HEM)的夾雜體。晶粒的總變形由彈性和塑性部分共同承受，其中彈性部分通過晶格應變描述，塑性部分由滑移和孿生引起的剪切速率控制。孿生體積分數(TVF)的動態變化被用于描述孿生的啟動與終止過程，而模型的硬化參數(如臨界解析剪切應力和應變速率靈敏度)則通過實驗校準。

模擬結果顯示，EVPSC-TDT模型能夠很好地再現不同加載方向下的應力-應變曲線和晶格應變分布，尤其是在RD和45°方向。然而，對于ND方向的加載，模型在后期孿生終止機制的預測上存在一定偏差，表明需要進一步優化TDT方案以更精確地捕捉孿生的動態演變過程。此外，模型的孿生觸發參數對實驗數據的敏感性分析也揭示了鎂合金中滑移與孿生系統間的復雜相互作用。

圖3 T -45 條件下{ 100 }、{ 110 }、{ 101 }、{ 102 } 和 { 002 } 晶粒的第二橫向衍射強度隨施加應力 ( σ ) 的變化