[科普中国]-形变孪生

镁合金的孪生

孪生是镁合金中除滑移外最重要的一种变形机制。跟滑移一样，镁合金发生孪生时也需要有切应力的作用，也是位错运动的结果。与滑移不一样的是，孪生是不全位错(或称部分位错)运动的结果，而滑移则是全位错运动的结果。

一般来讲，滑移在无法继续进行下去的时候产生应力集中区，孪生在这样的区域内很容易发生。孪生是晶体晶格原子的均匀切变，也即是在切变区内，和孪生面平行的每一个原子层在孪生方向上运动的距离跟原子平面到孪生面的距离成正比，且对于切变区，每两个相邻的原子面之间在孪生过程中的相对滑移量是一样的。孪生不改变晶体的晶格类型，但孪生后孪生区域的晶格与基体晶格形成镜面对称的位向关系。跟滑移一样，孪生也存在孪生面和孪生方向，也即是孪生也是在一定的晶面和晶向上进行的，在塑性变形时能否发生孪生与晶体的对称性有关。

镁合金属于HCP结构，室温附近基面滑移的CRSS值比孪生的要低得多，但是由于镁合金的基面滑移仅有两个独立滑移系，且室温附近非基面滑移很难启动，当晶体取向不利于滑移时，孪生就主导塑性变形过程1。

影响镁合金孪生的主要因素晶粒取向由于孪生是有极性的，因此镁合金的晶粒取向与应力方向的关系对孪生发生的难易程度以及哪一种孪生模式启动具有重要的影响。在镁及其合金中，由于基面滑移的临界剪切应力远远低于孪生以及非基面滑移的临界剪切应力，一般来讲，只有当滑移无法进行时，孪生才启动。

变形温度变形温度对镁及其合金的塑性变形机制具有重要的影响。在室温附近变形时，在较小的临界剪切应力作用下镁及其合金的基面滑移即可启动，而激活孪生和非基面滑移的临界剪切应力远高于基面滑移的。一般地，只有当基面滑移无法进行时孪生才启动。对于一些具有较强起始织构的镁合金，例如挤压镁合金，大多数晶粒的基面几乎都平行于ED方向，当存在平行于ED方向的压应力时，基面滑移的施密特因子几乎趋近于零，基面滑移难以启动，所以变形一开始几乎就是孪生主导塑性变形过程。而变形温度越高，非基面滑移启动的临界剪切应力值减小，在一定的温度下，由于非基面滑移在受热条件下被激活，对释放塑性变形中的应力集中具有重要作用，成为协调塑性变形的主要机制，孪生对塑性变形的贡献相对减小。

晶粒尺寸研究己表明，孪晶优先在尺寸较大的晶粒内发生，晶粒越大，越利于孪晶的生成。晶粒尺寸对孪生的影响主要体现在相同的变形条件下，晶粒尺寸不同，则合金的形变机制不一样，如细小的晶粒在塑性变形时容易发生晶界滑移来协调不均匀变形以释放应力集中，使局部应力集中达不到孪生所需要的临界切应力而使孪晶未被激活。如果晶粒尺寸较大，则位错滑移程长，不容易发生晶界滑动，容易形成局部应力集中而发生孪生变形。

应变速率镁合金的形变机制受应变速率的大小影响。一般来讲，应变速率越大，合金塑性变形过程中越倾向于孪生。这主要是由于应变速率增大时，交滑移及晶界滑移等塑性变形方式不易进行，导致局部应力集中，从而促进孪生。尤其是在室温附近以较高的速率变形时，孪生很容易发生，成为了主导镁合金塑性变形的主要机制2。

孪生对合金晶体取向的调整镁合金的力学行为对晶粒取向和应力方向具有较强的敏感性，这主要是由孪生的极性及孪生在镁合金塑性变形中起的重要作用决定的。与滑移变形不同的是，孪生变形能够改变晶粒的取向，因此，经过孪生变形后的金属的晶粒取向与未变形之前相比发生了较大的变化，这种变化对合金的继续变形有着重要的影响。在挤压态镁合金中，通常是基面平行于ED方向，这种取向有利于沿ED压缩时产生孪晶，沿ED方向拉伸时产生孪晶。通常，对挤压态镁合金来说，由于孪晶的产生，晶体的取向做了约86.3°的改变，使得原来平行于ED方向的基面变成几乎垂直于ED方向。孪生程度越高，晶体的取向改变百分比越大。这样，由于取向的改变，合金在经孪生预变形后的力学行为就会与没有预变形时具有较大的差异。同样地，对于轧制态镁合金板，能够产生孪晶的预变形也具有相似的作用2。

孪生对合金显微组织的影响一般地，对于热变形的镁合金，变形之后在合金中是没有孪生组织的。变形镁合金在室温附近变形，则很容易产生孪生。孪生除了能够调整合金的晶体取向之外，对镁合金的显微组织也有重要的影响，这种影响对合金在随后变形中的力学行为也是有一定的影响的。通常，由于预变形的存在，在合金中产生了片层状的孪晶。由于孪晶的出现，在合金的晶粒中引入了很多孪晶界，由于孪晶界两侧晶粒取向不同，这些界面的出现细化了晶粒，能够阻碍位错的滑移，对强化合金具有一定的作用。

孪生对合金力学行为的影响由于孪生对镁合金织构的调整作用及对显微组织的影响，早期变形引入的孪晶对合金随后的变形力学行为有重要的影响。以挤压态镁合金为例，沿ED方向预先压缩引入孪晶，能够使合金的晶粒取向调整86.3°，使得大多数晶粒的基面几乎垂直于ED方向，在随后的反向拉伸中，由于退孪生的产生，材料的屈服强度较没经预变形的镁合金明显降低，而同向继续压缩的屈服强度则明显升高。

根据预变形对合金织构的调整和显微组织的影响，综合利用各种预变形手段，能够有效地改善变形态镁合金的拉压屈服不对称性、各向异性等3。

镁合金中形变孪生机理研究现状不同于立方晶系，六方晶系的孪生机制至今没有得到明确的确认，现有的几种孪生机制也存在着不足，有的甚至存在着争议。按照孪生的定义，基体与孪生区晶格点阵关于孪生面对称，在孪生过程中孪生面上的原子是保持不动的。晶体的一部分在形变过程中保持不动，称为基体;另一部分相对基体沿着孪生面和孪生方向做切变，形成与基体关于孪生面镜面对称的晶格点阵。在立方晶系的孪生中，只需通过原子的切变即可完成对称，但是密排六方仅靠原子的切变无法完成1。