揭示预轧AZ31镁合金在高速冲击载荷下的力学响应和协调机制

镁合金由于密度低的优势被广泛应用于武器、航空航天和交通运输等行业。在应用过程中，镁合金作为构件不可避免的会承受冲击载荷，其低的塑性和强度可能导致构件失效。因此，提高镁合金在极端环境中的力学性能得到了广泛关注。在静态变形过程中，在镁合金中预先引入孪晶，可以利用孪晶界阻碍位错运动，提高其强度；同时预孪晶有利于诱导动态再结晶提高强度和塑性。但是，在冲击载荷下，预孪晶对镁合金的力学响应、组织演变和协调机制的影响尚不明确。

最近，湖南科技大学刘筱副教授和朱必武副教授课题组利用霍普金森压杆模拟高速冲击载荷，并对预孪晶AZ31镁合金进行高速冲击试验，揭示预孪晶AZ31镁合金在高速冲击载荷下的力学响应和协调机制。研究表明，低、中、高温下冲击主要的微观结构分别为：孪晶和剪切带、孪晶和再结晶共存以及完全再结晶；力学响应由剪切带强化、孪晶强化和细晶强化的竞争决定；在高速冲击过程中，不同的预孪晶类型会诱导不同的协调变形机制，且预孪晶有利于非基面滑移的启动。该研究为镁合金在装甲、航空航天和汽车前端服役环境中的组织结构设计提供理论依据。

本文系统研究了高速冲击载荷对预孪晶AZ31镁合金在的微观结构及其对动态力学响应的影响，结果如图1和图2所示。在低温冲击下，微观组织以剪切带和孪晶为主；在中温冲击下，微观组织主要是孪晶和动态再结晶共存结构；在高温冲击下，发生完全动态再结晶。因此，低温冲击时，力学响应以孪晶强化和剪切带强化为主；中温冲击时，力学响应以孪晶强化和细晶强化为主；高温冲击时，力学响应以细晶强化为主。在目前的研究中，在相同的应变速率下，随着冲击温度升高主要的微观组织由孪晶和剪切带转变为细晶组织，引起的细晶强化补偿了温度升高、孪晶和剪切带减少带来的软化，导致某些温度下的流变应力曲线不随着温度的升高而降低，而是出现了流变应力曲线接近的现象。

图1 不同冲击载荷下的流变应力曲线

图2 经过应变速率为3434 s-1、不同温度下冲击后的EBSD图：(a-a1) 200 ℃; (b-b1) 250 ℃; (c-c1) 350 ℃

本研究还揭示了不同冲击温度下预孪晶类型（孪生变体）和母相晶粒中组织演变机理，如图3所示。在低温冲击的变形初期，压缩孪晶、基面和非基面滑移在(01-12)[0-111]和(0-112)[01-11]孪生变体中产生；拉伸孪晶、基面和非基面滑移在(-1102)[1-101]孪生变体中协调变形；压缩/双孪生、基面和非基面滑移在母相晶粒中协调变形。在低温冲击变形的中后期，孪生数量增加随后形成变形剪切带。在高温冲击的变形初期，位错滑移在(01-12)[0-111]和(0-112)[01-11]孪生变体中协调变形；拉伸孪生、基面和非基面滑移在(-1102)[1-101]孪生变体中协调变形；压缩/双孪生、基面和非基面滑移在母相晶粒中协调变形。在高温冲击的变形中期，大量孪生产生并且诱导动态再结晶，随后形成转变剪切带。在高温冲击的变形后期，发生完全再结晶。

图3 不同冲击温度下微观组织演变示意图

综上所述，本研究利用霍普金森压杆模拟高速冲击载荷，并对预孪晶AZ31镁合金进行高速冲击试验，揭示预孪晶AZ31镁合金在高速冲击载荷下的力学响应和协调机制，为镁合金在装甲、航空航天和汽车前端服役环境中的组织结构设计提供理论依据和技术支持。