镁合金由于质轻，比强度高，抗阻尼性能好等优点，被广泛应用于汽车及航空工业。传统变形镁合金如AZ31，ZK60等，由于强基面织构以及有限的变形模式，表现出较低的塑性和较差的成形性。稀土元素如Y、Gd的添加不仅可以弱化镁的强基面织构，还可以促进非基面滑移的激活，使得镁稀土合金具有较高塑性和较好成形性。镁稀土合金常具有典型的稀土织构（基面极点对称地从板材法向向挤压方向或者轧制方向偏转），而稀土织构会造成力学性能的面内各向异性。对于镁稀土合金在单向加载下如拉伸、压缩的力学各向异性已得到一定研究。在实际服役环境中，镁合金作为结构材料常受到循环载荷，因此，循环力学行为对评估力学可靠性具有重要意义。然而，目前关于织构对镁稀土合金循环力学行为的影响规律和作用机制仍缺乏系统研究。
近期，重庆大学饶劲松副研究员和郑江副教授等人通过分析循环载荷下具有稀土织构的挤压Mg-3Y合金的变形模式和断裂模式，研究了其循环变形的面内各向异性。研究结果表明，如图1所示，在应变控制（应变幅0.4%-1.6%，应变比R=-1）的低周疲劳下，与横向（TD）试样相比，挤压方向（ED）试样具有较对称的滞回曲线，较低的平均应力以及更高的疲劳寿命。采用基于EBSD的晶内及晶间取向差分析，定量研究了合金在不同循环加载阶段下各种滑移系和孪生-退孪生的激活规律。并深入探讨了织构对其在循环载荷下变形模式、断裂模式以及力学响应的影响机制，加深了织构对镁合金循环变形行为影响的理解。
图1ED及TD试样循环应力应变响应：(a)应变幅-疲劳寿命曲线；1%应变幅下(b)ED及(c)TD试样滞回曲线的演变(前10个周期，半寿命，失效周期)；(d)相应的峰值，谷值以及平均应力演变
本文重点研究了织构对Mg-3Y合金循环变形模式的影响，结果如图2所示。在1%应变幅对称加载下，第一个循环周次的最大拉应变（ε=1%，T1），最大压应变（ε=-1%，C1），第二个循环周次最大拉应变（ε=1%，T2）以及半寿命时，ED试样均只观察到少量拉伸孪晶。而在TD试样中，C1以及半寿命阶段均观察到大量的拉伸孪晶，孪晶体积分数分别为17.3%与26.2%。通过晶内及晶间取向差分析方法统计了两种试样循环载荷下变形模式的演变。基面滑移主导ED试样的整个循环变形过程。而TD试样主导变形模式的激活表现出周期性转变：柱面滑移（拉伸阶段）→{10-12}拉伸孪生（压缩阶段）→退孪生+柱面滑移（再反向拉伸阶段）。而变形模式的激活由施密特因子（SF）以及相应的临界剪切应力（CRSS）共同决定，激活应力（CRSS/SF）小的变形模式更容易被激活。图3总结了各种变形模式（基面滑移，柱面滑移，二阶锥面滑移，{10-12}拉伸孪生，{10-12}退孪生）在不同方向加载下的SF及激活应力分布。由于挤压Mg-3Y合金具有从ND偏向ED约30°~40°的稀土织构，沿着ED加载时，加载轴与大多数晶粒的c轴夹角θ为50°~60°，无论压缩还是拉伸，基面滑移均具有较高SF以及最低激活应力，所以基面滑移主导ED的循环变形。而沿着TD加载时，θ变为80°~90°，拉伸与压缩时柱面滑移与{10-12}拉伸孪生分别具有最低激活应力，所以其分别主导拉伸与压缩变形，而再反向拉伸时，{10-12}孪晶的c轴与加载轴夹角约为0°~10°，退孪生会首先被激活，当之前压缩阶段产生的孪晶消耗殆尽后，柱面滑移再次主导变形。所以，TD试样主导变形模式的激活表现出周期性转变。
图21%应变幅下，ED及TD试样在不同循环变形阶段下的组织演变：ED试样在(a)第一循环周次拉伸(T1)，(b)压缩(C1)，(c)第二个循环周次拉伸(T2)以及(d)半寿命时的IPF图；TD试样在(e)T1，(f)C1，(g)T2以及(h)半寿命时的IPF图
图3基于最小激活应力的变形模式分析：(a)施密特因子(SF)在不同方向加载下的取值分布，其中θ为加载轴与c轴夹角，α为晶粒绕着初始c轴的旋转角，实线和虚线分别代表相应加载下最大SF值的上限与下限；(b)不同加载下，各变形模式的激活应力(CRSS/SF)图；(c)TD与ED试样的θ角度分布图
而循环变形模式会显著影响循环变形后的断裂模式。本文还研究了织构对循环变形失效后断裂模式的影响。图4展示了疲劳失效后ED与TD样品的微裂纹扫描图像，经过统计，沿晶断裂（占比59.4%）以及沿着驻留滑移带的穿晶断裂（40.6%）是ED试样的主导断裂模式，而沿着拉伸孪晶的穿晶断裂（67.4%）是TD试样的主导断裂模式。由于基面滑移主导ED试样的循环变形，易在晶界处形成局部应变（如图5所示），而滑移的不断激活，也易在驻留滑移带（PSB）处形成应变集中，诱发断裂。对于TD试样，孪生-退孪生的不断激活依靠孪晶界的往复运动实现，易在孪晶界处形成应变集中（如图5所示）。所以两种试样展现出不同的断裂模式。
本文最后讨论了织构对Mg-3Y合金循环变形力学行为的影响。由于TD试样变形模式的周期性转变，而柱面滑移的激活应力和导致的加工硬化明显高于{10-12}拉伸孪生和退孪生，所以其滞回曲线表现出显著的不对称性以及较高的平均应力。而对于ED试样，基面滑移一直主导其循环变形，所以表现出更为对称的滞回曲线以及接近0的平均应力值。因此，相同应变幅及应变比下，TD试样每个循环周期的输入能量密度大于ED试样，并且较高的平均应力值会加速微裂纹的扩展。所以，ED试样相比于TD试样有着更高的疲劳寿命。
图41%应变幅对称加载疲劳失效后，ED(a)与TD(b)试样表面微裂纹形貌二次电子扫描图
图5ED(a)与TD(b)试样在各自半寿命时的KAM分布图。(a)与(b)中的白色箭头分别代表晶界处与孪晶界处的局部应变，红色实线代表{10-12}拉伸孪晶界
综上所述，本文系统研究了具有稀土织构的挤压Mg-3Y合金在循环加载下的力学行为各向异性，并通过对变形模式的演变以及断裂模式的统计分析，阐明了此织构的作用机制，为开发新型耐疲劳镁合金提供了理论支持。
