强织构六方密排(HCP)金属的变形机制对材料的力学性能具有决定性影响，尤其是镁AZ31B合金，其广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，由于其塑性各向异性显著，加工与使用性能的控制面临诸多挑战。本研究采用原位中子衍射实验与晶体塑性建模方法，解析了不同加载方向下镁AZ31B板材的变形机制与力学行为，揭示了基底滑移与孪生行为在不同应力条件下的作用机制，为进一步优化加工工艺提供了理论依据。
本研究由上海交通大学汪华苗课题组联合韩国忠南国立大学材料科学工程专业完成，利用RAL-ISIS设施ENGIN-X工程衍射仪开展了实验，并结合EVPSC-TDT模型进行建模分析。通过拉伸加载-卸载实验，对镁AZ31B板材在轧制方向(RD)、法线方向(ND)及45°倾斜方向的力学行为及微观机理进行了系统研究。实验中获得的晶格应变与衍射强度数据，为塑性变形机制的解析提供了关键证据。该工作以《Crystal plasticity modeling and neutron diffraction measurements of a magnesium AZ31B plate: Effects of plastic anisotropy and surrounding grains》为题发表在国际期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。研究成果为镁合金加工过程中变形机制的调控提供了理论支持，有助于改善镁合金在不同方向加载下的力学性能。
镁AZ31B合金变形机制的实验探究
研究团队选用具有典型轧制织构的镁AZ31B板材，其平均晶粒尺寸约为40 μm，主要织构成分为{002}取向。实验在英国RAL-ISIS设施的ENGIN-X工程衍射仪上进行，通过拉伸加载-卸载实验获取各晶粒组的晶格应变演变和衍射强度数据。实验中，RD方向平行于轧制方向，主要研究基底滑移的主导效应;ND方向垂直于轧制平面，测试拉伸孪生行为的显著性;45°倾斜方向旨在激活中等孪生行为，探索多机制共同作用的复杂性。
在RD加载方向，实验观察到基底滑移是主要的变形机制，孪生活动较少，且晶粒间的内部弹性应变分布较为均匀。这是因为晶粒的基底取向与加载方向较为一致，滑移系统容易被激活，导致塑性变形行为较为单一。ND加载方向表现出强烈的孪生主导现象，伴随晶粒间显著的应变梯度变化。实验还发现，卸载过程中孪生逆转引起了非线性应力-应变响应，揭示了孪生和逆孪生行为的动态演变规律。在45°倾斜加载方向，基底滑移与孪生共同主导变形，且孪生活动比ND方向减弱，但仍显著高于RD方向。
图1 在T-RD、T-ND 和 T-45 条件下，10% 应变下的变形织构
(以 { 100 }、{ 101 }、{ 102 }、{ 103 } 和 { 002 } 极图表示)
变形过程中周围晶粒取向的影响
镁AZ31B合金在变形过程中，其晶粒间的相互作用显著影响局部应变分布和塑性机制。研究表明，硬取向晶粒在所有加载方向下均承受较大的内部弹性应变，而软取向晶粒则通过滑移或孪生方式有效缓解了应力集中。此外，周围晶粒的取向分布对硬取向晶粒的应变集中效应起到关键作用。
在RD加载方向，软取向晶粒表现出基底滑移主导的低应变分布。由于其施密特因子较高，滑移系统容易被激活，形成均匀的塑性变形。而在ND加载方向，软取向晶粒通过孪生方式承载较大的塑性变形，表现为高应变区域。这是因为加载方向与晶粒c轴平行时，拉伸孪生变形系统被显著激活。
硬取向晶粒在加载过程中难以通过滑移或孪生实现变形，其主要承受弹性应变。这种硬取向行为在周围晶粒取向为软取向时尤为显著。45°倾斜加载方向的实验数据显示，软取向晶粒的滑移和孪生活动有效缓解了局部应力集中，而硬取向晶粒则因其变形难度较高，承受了较大的应力负荷，形成内部应变集中区。
图2 T -45织构下各种变形机制和TVF的预测相对活动与施加应力 ( σ )的关系(基面和柱面滑移以及孪生是主要的变形机制)
镁AZ31B合金的塑性变形机制建模验证
为了更深入理解实验数据并揭示镁AZ31B合金的塑性变形机制，研究采用了EVPSC-TDT(弹粘塑性自洽-孪生动态演变)模型进行模拟分析。该模型能够在考虑孪生和滑移系统耦合作用的基础上，准确预测晶粒取向演变及内部应变分布。
EVPSC-TDT模型将每个晶粒视为嵌入均匀有效介质(HEM)的夹杂体。晶粒的总变形由弹性和塑性部分共同承受，其中弹性部分通过晶格应变描述，塑性部分由滑移和孪生引起的剪切速率控制。孪生体积分数(TVF)的动态变化被用于描述孪生的启动与终止过程，而模型的硬化参数(如临界解析剪切应力和应变速率灵敏度)则通过实验校准。
模拟结果显示，EVPSC-TDT模型能够很好地再现不同加载方向下的应力-应变曲线和晶格应变分布，尤其是在RD和45°方向。然而，对于ND方向的加载，模型在后期孪生终止机制的预测上存在一定偏差，表明需要进一步优化TDT方案以更精确地捕捉孪生的动态演变过程。此外，模型的孪生触发参数对实验数据的敏感性分析也揭示了镁合金中滑移与孪生系统间的复杂相互作用。
图3 T -45 条件下{ 100 }、{ 110 }、{ 101 }、{ 102 } 和 { 002 } 晶粒的第二横向衍射强度随施加应力 ( σ ) 的变化
