鎂合金具有密度低、比強度高和阻尼減震等優異性能，是實現結構輕量化和節能減排關鍵基礎材料之一，對推動國家雙碳戰略具有不可替代的作用。然而，強各向異性是制約鎂合金零件塑性成形的關鍵瓶頸問題，嚴重影響其核心零部件成形制造。近年來，研究人員在改善變形鎂合金各向異性力學性能方面已經開展了大量工作，但是針對各向異性機理及本構關系尚缺乏系統描述。

近日，來自燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心的石寶東博士等人報道和總結了鎂合金各向異性行為及本構模型研究進展。綜述了變形鎂合金在不同加載條件（包括單調加載、單軸循環加載、兩步加載和多軸加載）下的各向異性行為及微觀機理，從宏觀和細觀兩種尺度分析了HCP金屬各向異性本構關系，著重討論了晶體塑性中孿晶模型的最新研究情況，最后分析了鎂合金各向異性行為多尺度表征方法與建模思路，并基于集成計算科學展望了跨尺度建模研究變形鎂合金各向異性行為的途徑。該綜述論文以題為“Anisotropy of wrought magnesium alloys: A focused overview”發表在鎂合金領域頂刊《Journal of Magnesium and Alloys》(2020年影響因子：10.088，中科院一區)。

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.03.006

由于HCP金屬的低對稱性，變形鎂合金的力學行為表現出拉壓非對稱性和各向異性，具有明顯的加載路徑和取向相關性。盡管平面各向異性行為取決于變形鎂合金織構分布，但是，其微觀本質是鎂合金中各變形機制臨界分解剪應力(CRSS)的差異。沿特定加載方向，變形機制的開動可通過加載方向與晶粒c軸的角度判斷。加載路徑變化誘發的屈服面形狀畸變歸因于非均勻的位錯結構和取向變化引起的各向異性硬化。與傳統各向同性硬化和運動硬化模型不同，石博士等建立了加載路徑相關的扭曲硬化模型以捕捉應變路徑變化的作用。此外，均質各向異性硬化（HAH）模型也被進一步泛化，以描述鎂合金等應變路徑變化期間發生的各向異性行為。在細觀晶體塑性模型方面，研究人員已經建立了各種孿生模型來預測力學響應和微觀結構演化，如Kalidindi模型、主導孿晶再取向（PTR）模型、復合晶粒（CG）模型和孿晶-退孿晶（TDT）模型。原位實驗表征與晶體塑性模型相結合的方法有望成為研究HCP金屬微觀結構各向異性起源的新發展方向。

表 1. 室溫下鎂合金不同變形機制CRSS

圖1 不同加載方式下{10-12}孿生施密特因子分析

圖2 AZ31鎂合金加載路徑相關的屈服面演化

圖3 新型加載路徑相關的扭曲硬化（distortional hardening）模型構成

圖4 加載路徑相關的扭曲硬化模型表征鎂合金各向異性行為

綜上，變形鎂合金各向異性行為是其密排六方（HCP）晶體結構的結果，造成各變形機制的臨界分解剪應力（CRSS）的差異，主要變形機制依賴于織構、晶粒尺寸、加載模式（拉伸、壓縮、加載方向等），從而導致屈服強度和應變硬化響應的巨大差異。研究發現，各向異性行為無法在單一尺度上闡明。因此，多尺度模擬和原位實驗將是未來研究工作的重要方向之一，以連接宏觀各向異性行為和顯微組織演化；其中核心工作是基于集成計算材料工程（ICME），實現本構模型從宏觀到納米尺度的橋接。

致謝：本工作得到了國家自然科學基金（51771166）、重慶市科技創新引導專項（cstc2020yszx-jcyjX0001）、河北省自然科學基金（E2019203452、E2021203011）等的支持和資助。

部分參考文獻：

[1] Baodong Shi, Joern Mosler*, On the macroscopic description of yield surface evolution by means of distortional hardening models: Application to magnesium, International Journal of Plasticity, 2013, 44, 1-22.

[2] Baodong Shi, Alexander Bartels, Joern Mosler*, On the thermodynamically consistent modeling of distortional hardening: A novel generalized framework, International Journal of Plasticity, 2014, 63, 170-182.

[3] Baodong Shi*, Yan Peng, Fusheng Pan, A generalized thermodynamically consistent distortional hardening model for Mg alloys, International Journal of Plasticity, 2015, 74, 158-174.

[4] Baodong Shi*, Yan Peng, Chong Yang, Fusheng Pan, Renju Cheng, Qiuming Peng, Loading path dependent distortional hardening of Mg alloys: Experimental investigation and constitutive modeling, International Journal of Plasticity, 2017, 90, 76-95.

[5] Chong Yang, Guoguo Zhu, Hui Zhao, Yan Peng, Baodong Shi*, The roles of stress state and pre-straining on Swift effect for an extruded AZ31 Mg alloy, Journal of Magnesium and Alloys, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.08.003.