鎂合金由于質輕，比強度高，抗阻尼性能好等優點，被廣泛應用于汽車及航空工業。傳統變形鎂合金如AZ31，ZK60等，由于強基面織構以及有限的變形模式，表現出較低的塑性和較差的成形性。稀土元素如Y、Gd的添加不僅可以弱化鎂的強基面織構，還可以促進非基面滑移的激活，使得鎂稀土合金具有較高塑性和較好成形性。鎂稀土合金常具有典型的稀土織構（基面極點對稱地從板材法向向擠壓方向或者軋制方向偏轉），而稀土織構會造成力學性能的面內各向異性。對于鎂稀土合金在單向加載下如拉伸、壓縮的力學各向異性已得到一定研究。在實際服役環境中，鎂合金作為結構材料常受到循環載荷，因此，循環力學行為對評估力學可靠性具有重要意義。然而，目前關于織構對鎂稀土合金循環力學行為的影響規律和作用機制仍缺乏系統研究。   

近期，重慶大學饒勁松副研究員和鄭江副教授等人通過分析循環載荷下具有稀土織構的擠壓Mg-3Y合金的變形模式和斷裂模式，研究了其循環變形的面內各向異性。研究結果表明，如圖1所示，在應變控制（應變幅0.4%-1.6%，應變比R=-1）的低周疲勞下，與橫向（TD）試樣相比，擠壓方向（ED）試樣具有較對稱的滯回曲線，較低的平均應力以及更高的疲勞壽命。采用基于EBSD的晶內及晶間取向差分析，定量研究了合金在不同循環加載階段下各種滑移系和孿生-退孿生的激活規律。并深入探討了織構對其在循環載荷下變形模式、斷裂模式以及力學響應的影響機制，加深了織構對鎂合金循環變形行為影響的理解。

圖1 ED及TD試樣循環應力應變響應：(a) 應變幅-疲勞壽命曲線；1%應變幅下 (b) ED 及 (c) TD試樣滯回曲線的演變 (前10個周期，半壽命，失效周期)；(d) 相應的峰值，谷值以及平均應力演變

本文重點研究了織構對Mg-3Y合金循環變形模式的影響，結果如圖2所示。在1%應變幅對稱加載下，第一個循環周次的最大拉應變（ε=1%，T1），最大壓應變（ε=-1%，C1），第二個循環周次最大拉應變（ε=1%，T2）以及半壽命時，ED試樣均只觀察到少量拉伸孿晶。而在TD試樣中，C1以及半壽命階段均觀察到大量的拉伸孿晶，孿晶體積分數分別為17.3%與26.2%。通過晶內及晶間取向差分析方法統計了兩種試樣循環載荷下變形模式的演變?；婊浦鲗D試樣的整個循環變形過程。而TD試樣主導變形模式的激活表現出周期性轉變：柱面滑移（拉伸階段）→{10-12}拉伸孿生（壓縮階段）→退孿生+柱面滑移（再反向拉伸階段）。而變形模式的激活由施密特因子（SF）以及相應的臨界剪切應力（CRSS）共同決定，激活應力（CRSS/SF）小的變形模式更容易被激活。圖3總結了各種變形模式（基面滑移，柱面滑移，二階錐面滑移，{10-12}拉伸孿生，{10-12}退孿生）在不同方向加載下的SF及激活應力分布。由于擠壓Mg-3Y合金具有從ND偏向ED 約30°~40°的稀土織構，沿著ED加載時，加載軸與大多數晶粒的c軸夾角θ為50°~60°，無論壓縮還是拉伸，基面滑移均具有較高SF以及最低激活應力，所以基面滑移主導ED的循環變形。而沿著TD加載時，θ變為80°~90°，拉伸與壓縮時柱面滑移與{10-12}拉伸孿生分別具有最低激活應力，所以其分別主導拉伸與壓縮變形，而再反向拉伸時，{10-12}孿晶的c軸與加載軸夾角約為0°~10°，退孿生會首先被激活，當之前壓縮階段產生的孿晶消耗殆盡后，柱面滑移再次主導變形。所以，TD試樣主導變形模式的激活表現出周期性轉變。

圖2 1%應變幅下，ED及TD試樣在不同循環變形階段下的組織演變：ED試樣在 (a)第一循環周次拉伸 (T1)，(b) 壓縮 (C1)，(c) 第二個循環周次拉伸 (T2) 以及 (d)半壽命時的IPF圖；TD試樣在 (e) T1，(f) C1，(g) T2 以及 (h)半壽命時的IPF圖

圖3 基于最小激活應力的變形模式分析：(a) 施密特因子 (SF) 在不同方向加載下的取值分布， 其中θ為加載軸與c軸夾角，α為晶粒繞著初始c軸的旋轉角，實線和虛線分別代表相應加載下最大SF值的上限與下限；(b) 不同加載下，各變形模式的激活應力 (CRSS/SF)圖；(c) TD與ED試樣的θ角度分布圖

而循環變形模式會顯著影響循環變形后的斷裂模式。本文還研究了織構對循環變形失效后斷裂模式的影響。圖4展示了疲勞失效后ED與TD樣品的微裂紋掃描圖像，經過統計，沿晶斷裂（占比59.4%）以及沿著駐留滑移帶的穿晶斷裂（40.6%）是ED試樣的主導斷裂模式，而沿著拉伸孿晶的穿晶斷裂（67.4%）是TD試樣的主導斷裂模式。由于基面滑移主導ED試樣的循環變形，易在晶界處形成局部應變（如圖5所示），而滑移的不斷激活，也易在駐留滑移帶（PSB）處形成應變集中，誘發斷裂。對于TD試樣，孿生-退孿生的不斷激活依靠孿晶界的往復運動實現，易在孿晶界處形成應變集中（如圖5所示）。所以兩種試樣展現出不同的斷裂模式。

本文最后討論了織構對Mg-3Y合金循環變形力學行為的影響。由于TD試樣變形模式的周期性轉變，而柱面滑移的激活應力和導致的加工硬化明顯高于{10-12}拉伸孿生和退孿生，所以其滯回曲線表現出顯著的不對稱性以及較高的平均應力。而對于ED試樣，基面滑移一直主導其循環變形，所以表現出更為對稱的滯回曲線以及接近0的平均應力值。因此，相同應變幅及應變比下，TD試樣每個循環周期的輸入能量密度大于ED試樣，并且較高的平均應力值會加速微裂紋的擴展。所以，ED試樣相比于TD試樣有著更高的疲勞壽命。

圖4 1%應變幅對稱加載疲勞失效后，ED (a)與TD (b)試樣表面微裂紋形貌二次電子掃描圖

圖5 ED (a)與TD (b)試樣在各自半壽命時的KAM分布圖。(a) 與(b)中的白色箭頭分別代表晶界處與孿晶界處的局部應變，紅色實線代表 {10-12}拉伸孿晶界

綜上所述，本文系統研究了具有稀土織構的擠壓Mg-3Y合金在循環加載下的力學行為各向異性，并通過對變形模式的演變以及斷裂模式的統計分析，闡明了此織構的作用機制，為開發新型耐疲勞鎂合金提供了理論支持。

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