尹冬弟《MMTA》：镁钇合金拉压低周疲劳变形机制及断裂行为的定量研究

renzoula

镁合金作为新兴的轻量化金属逐渐被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域，在服役过程中常承受疲劳载荷，其低对称的HCP晶体结构所导致的强各向异性和低塑性限制了镁合金的应用。定量理解镁合金在疲劳载荷下的变形与失效机制是推动镁合金发展及应用的关键。
       学界普遍认为镁合金在室温下的变形模式极其有限（仅有基面滑移与拉伸孪生），近年来研究发现在镁中添加稀土元素，如Y元素，可以改变镁合金中不同变形模式的相对活性从而改善力学性能，但上述结果主要基于准静态的单轴加载。此外，目前对镁合金疲劳的研究主要集中于疲劳性能及疲劳裂纹，对微观变形机制以及变形机制-断裂行为之间的关系的研究相对较少，针对稀土镁合金疲劳的研究更加有待补充。稀土元素的添加将对疲劳加载下的镁合金塑性变形机制产生什么影响？其宏观应力-应变响应将发生什么变化？以及各变形模式与裂纹萌生之间的关系？这些问题的解答对深入理解稀土镁合金疲劳行为，进而调控及预测其疲劳性能具有重要价值。
       近日，我院16级本科生邓玉春、黄智杰（共同一作），在尹冬弟副教授的指导下，依托国家级大学生创新创业训练计划项目（SRTP），定量统计性地研究了Mg-3Y挤压板材在拉压低周疲劳过程中的滑移/孪生的激活规律以及断裂行为，构建了微观变形机制与宏观疲劳行为之间的关系，探明了不同的变形模式与晶内裂纹之间的关系。研究表明Y元素导致的孪生的活性受到抑制和位错滑移主导的塑性变形是应力-应变滞回曲线呈对称特性的主要原因，发现断裂模式以沿晶裂纹为主导，而驻留滑移带和孪生是两个重要的晶内裂纹源，尽管基面滑移激活最多，但与局部应力集中有关的二级角锥面<c + a>位错引起的驻留滑移带更容易导致开裂。
       此研究提供了一种新颖有效的定量分析裂纹与变形模式之间的联系的方法，加深了变形机制与疲劳力学行为、断裂模式之间对应关系的理解，为稀土镁合金的疲劳提供了新见解，定量和统计性的滑移/孪生激活规律和裂纹模式也将为镁合金疲劳的建模和模拟提供有价值的数据基础。相关工作以“Quantitative Investigation on the Slip/Twinning Activity and Cracking Behavior During Low-Cycle Fatigue of an Extruded Mg-3Y Sheet”为题发表在金属材料领域的著名期刊Metallurgical and Materials Transactions A，中科院2区。论文合作者有重庆大学李天骄硕士，重庆大学郑江教授（共同通讯）。
        审稿人对此项工作高度评价，Key reader：“The submitted manuscript has a scientific novelty and originality and is expected to provide an experimental and analytical methodology to understand the LCF crack formation for Mg alloys.”Reviewer 2：“Excellent work, and the Quantitative analysis of deformation mode activity is something that is immediately useful in the field and should be implemented more often.”
       论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s11661-020-06083-7

图1 对称应力-应变滞回曲线及激活的变形机制

        利用位错滑移迹线分析和EBSD取向差角分析方法系统并定量地研究了Mg-3Y挤压板材室温拉压低周疲劳下的应力-应变响应及对应的晶粒尺度滑移/孪生的激活规律，研究表明，Y元素的添加引起的有限的孪生和位错滑移为主导的变形机制是Mg-3Y合金呈现出不同于常规镁合金的对称应力-应变滞回曲线的重要原因。非基面滑移表现出较高的活性，尤其是二级角锥面<c + a>位错，在较低施密特因子范围内也能够被激活，通过塑性变形不均匀性分析认为这与局部应力集中有关。

图2 不同变形模式与疲劳裂纹之间的联系

       裂纹形貌以沿晶裂纹为主，其次为穿晶裂纹，其中驻留滑移带和孪生是两类重要的穿晶裂纹源，研究还观察到晶界滑移转移/孪生转移有关的穿晶裂纹。根据裂纹统计和位错滑移迹线分析，尽管基面滑移在所有激活的滑移系中占比最多，但二级角锥面<c + a>滑移引起的驻留滑移带的开裂率达到最高。结合较小的归一化施密特因子和几何必需位错密度的不均匀性，研究认为局部应力集中是二级角锥面<c + a>滑移具有最高开裂率的可能原因。
感谢国家级大学生创新创业计划项目（201810613063）、国家自然科学基金（51401172）、四川省科技计划项目（2019YJ0238）对本研究的资助。
        团队介绍：
        尹冬弟副教授在Int. J. Plast.，Metall. Mater. Trans. A，Mat. Sci. Eng. A等金属材料领域一流SCI期刊上累计发表论文30余篇，其中第一或通讯作者22篇（中科院1区8篇，2区9篇），引用800余次，h指数18（Google Scholar）。获得授权发明专利4项。主持国家自然科学基金青年项目1项，四川省国际合作项目1项，四川省应用基础研究项目1项。
        https://faculty.swjtu.edu.cn/yindongdi