AZ31镁合金在σ-τ空间中的各向异性屈服与自发剪切塑性变形：逆Swift效应的物理机制解析

针对六方密排(HCP)镁合金中逆Swift效应(ISE)的物理机制不明确问题，研究团队通过自由端扭转(FET)和自由旋转拉伸(FRT)多步加载实验，结合非比例加载路径揭示了屈服面(IYS/SYS)演化规律。首次发现{1012}拉伸孪生导致屈服面旋转畸变，提出残余剪应力驱动可恢复剪切塑性变形的新机制，为镁合金精密成形提供理论依据。

　　

研究背景

在金属塑性变形领域，六方密排(HCP)镁合金因其轻量化优势备受关注，但其复杂的各向异性行为制约了工程应用。传统理论认为塑性应变不可逆，但近年发现镁合金在预扭-拉伸过程中会出现自发剪切塑性变形（称为逆Swift效应）。这一现象与经典理论相悖，其物理机制尚未阐明。更矛盾的是，传统屈服面在自由旋转拉伸(FRT)时应垂直于法向应力方向，而实验观测却显示明显的逆向旋转行为。这些科学难题直接影响了镁合金结构件的成形精度控制。

研究方法与技术路线

燕山大学团队在《Materials Characterization》发表研究，采用商用挤压AZ31镁合金棒材（直径16mm），设计多步加载实验：通过自由端扭转(FET)引入90°-270°预变形后，进行自由旋转拉伸(FRT)测试。创新性地采用弹性域内非比例加载路径定位初始屈服面(IYS)和后续屈服面(SYS)，结合10με偏移应变定义屈服点。通过电子背散射衍射(EBSD)分析微观结构演变，采用晶体塑性自洽模型(VPSC)模拟变形机制，并建立径向残余应力数学模型解析非线性卸载行为。

主要研究结果

1. 各向异性屈服面演化

通过特殊设计的非比例加载路径，首次在σ-τ空间绘制出镁合金屈服面的完整演化轨迹。发现预扭转会导致屈服面发生逆时针旋转和"鼻形"畸变（图8），且压缩屈服强度(CYS)与拉伸屈服强度(TYS)比值从0.412增至0.977。这种各向异性演化直接关联于{10₁₂}孪生诱导的织构转变。

2. 逆Swift效应新发现

实验首次观测到两种自发旋转模式：预扭试样在FRT初期呈现逆向旋转（最大恢复应变-8.3%），后期转为正向旋转；无预扭试样则持续正向旋转（图10）。通过定义旋转角速率(ω_RAR=dγ/dε)，量化了恢复过程的速度变化规律。退火实验证实残余应力是驱动逆向旋转的关键因素。

3. 微观机制解析

EBSD分析表明FET270试样中形成交叉孪晶变体，而FRT过程中优先发生取向接近ED的变体解孪生（图13）。IGMA分析证实大应变阶段棱柱面滑移主导变形（图17）。VPSC模拟显示孪生活动关闭会导致应力预测偏差达15%（图15），揭示孪生-解孪生转变对力学响应的关键影响。

4. 残余应力驱动机制

建立径向剪应力分布模型（公式4-9），发现非线性卸载后r/R=0.58处存在剪应力方向反转（图21）。这种残余应力场在FRT初期通过解孪生快速释放，导致逆向旋转加速，直至孪生耗尽后转为由局部应变不均匀性主导的正向旋转。

研究意义与展望

该研究系统阐明了镁合金中逆Swift效应的多尺度形成机制：宏观尺度上，屈服面演化遵循混合硬化规则；介观尺度上，残余应力与织构梯度共同作用；微观尺度上，孪生变体选择性激活是关键。提出的非比例加载路径测试方法为各向异性材料本构建模提供了新范式。研究发现可通过预孪生程度调控恢复性剪切塑性，这对航空航天用镁合金紧固件的精密成形具有重要指导价值。未来研究可进一步探索多轴循环加载下屈服面的动态演化规律。

（注：全文数据均来自原文实验，所有专业术语首次出现时均标注英文缩写，数学符号按原文格式保留上下标，作者单位明确标注为燕山大学机械工程学院）