导读：可降解医用金属材料中，镁合金由于其良好的力学性能及生物相容性在心血管领域备受关注，被视为永久性支架颇具前景的一种替代品。本文通过原位EBSD技术分析了多向压缩过程中Mg-3Al-1Zn镁合金{10-12}孪晶的活性。

试样沿TD方向预压缩3.2%应变，然后沿RD压缩2.6%应变，最后沿TD压缩2.5%应变。通过计算相应的Schmid因子（SF）、应变协调因子（m’）和孪生应变张量（ε）来分析孪晶变体的选择。结果表明在多向压缩过程中能够观察到四种孪生行为：1）前一次压缩之后产生的孪晶片层长大；2）现有的孪晶中存在新的{10-12}孪晶形核；3）初始晶粒中也存在新的{10-12}孪晶形核；4）退孪生。一些晶粒在晶内仅有一种孪生行为，而一些晶粒的单个晶粒内存在两种或多种孪生行为。相邻晶粒中孪晶对和孪晶链的{10-12}孪晶变体选择以高SF和m’为主。在多向压缩过程中，因为相邻晶粒之间具有较好的相容性，所以孪晶对或孪晶链中还可能同时发生退孪生或二次孪生行为。

图2中可以观察到压缩应力-应变行为存在更大程度的各向异性，三次压缩变形的曲线与其相对应的断裂压缩曲线温和较好，表明中断的变形过程仍处于由{10-12}孪生效应所导致的阶段。此外，沿TD第一次压缩之后的屈服应力明显低于后面两次压缩变形之后的屈服应力。这主要是因为前一次变形产生的孪晶可以阻碍位错滑移，提高后续压缩的屈服强度；另一个原因是当沿RD发生压缩变形时，柱面和锥面滑移可能会被激活，从而导致应变硬化。

图3所示试样未变形的原始组织为强基面织构。第一次沿TD压缩之后，由于{10-12}孪生导致部分晶体取向向TD旋转，部分晶体取向仍然保持不变。这主要是由于在变形的开始阶段基面滑移占主导地位，然后应力集中达到显著的水平导致CRSS低的{10-12}孪晶激活。在随后沿RD压缩后，几乎所有晶粒中都能观察到{10-12}孪晶，并且大多数新孪晶的取向旋转到RD。可观察到四种典型的孪生行为：1）上一道次压缩变形产生的孪晶片层（TD孪晶）的长大；2）TD孪晶中新的{10-12}-{10-12}二次孪晶的形核；3）新的{10-12}孪晶的形核；4）退孪生。

为了更好地理解多向压缩过程中的孪生行为，选取了两个典型晶粒Ma和Mb的微观结构演变进行详细分析，如图4所示。对于晶粒Ma，沿TD压缩后孪晶Ta1出现，而在沿RD压缩后，Ta1片层变窄，同时Ta2和Ta3在Ta1附近形核，这表明预变形对后续变形的孪生过程具有重要影响。最后一道次沿TD压缩之后，孪晶Ta1片层的宽度变大，然而，大部分Ta2片层由于退孪生而消失。对于晶粒Mb，在第一次变形后可观察到孪晶Tb1，然后扩展，并在第二次变形后产生新的孪晶Tb2，Tb2的面积大于Tb1，表明在多向压缩过程中，孪晶形核率和孪晶长大率之间存在差异。最后一次沿TD压缩后，Tb1继续扩张长大，而Tb2由于退孪生大部分消失。

从图5中可以观察到对于含单个孪晶变体的晶粒，SF排第1的孪晶变体最常观察到，对于含两个孪生变体的晶粒，SF排第1和2的组合最常见，对于含三个或多个孪晶变体的晶粒而言，至少有一个孪晶片层的SF排序为1或2，这是由于一些新的孪晶在已存在的孪晶中生成，导致{10-12}-{10-12}二次孪晶的形成，这表明新孪晶的生成遵循SF定律。因此，在多向压缩过程中，大部分{10-12}孪晶的激活都遵循SF定律。

图6中为了对结果进行更深入地理解，将孪晶分为三种类型：1）在第一次沿TD压缩过程中产生的孪晶对；2）第二次沿RD压缩过程产生的孪晶对；3）不同压缩过程中产生的孪晶对。对于第1类M’排序1的孪晶对的频率为91.7%，排序2的孪晶对的频率为8.3%。对于第2类，m’排序1和2的孪晶对的频率分别为87.5%和12.5%。而对于不同压缩过程产生的孪晶对，只有50%孪晶对的m’排序在第1和第2。这表明局部应变相容性有利于同一压缩过程中形成孪晶对。同一压缩道次中SF排序与m’之间的关系表明大多数孪晶对至少有一个R1或R2的SF排序，并且这些孪晶对都具有很高的m’值。因此，相邻晶粒中孪晶对的{10-12}孪生变体选择主要由高SF和高应变协调因子主导。

图7中选择了6个相邻晶粒，研究了孪晶对的典型孪生行为。从图中可以观察到第一次沿TD压缩后没有明显孪晶生成，第二次沿RD压缩后，一些孪晶被激活并在共同晶界处形成孪晶对。然而，在第三次沿TD压缩后，这些孪晶又消失，表明在最后一道次的压缩过程中，{10-12}孪晶发生了退孪生过程。从第二次沿RD压缩后的SF分布可以看出大多数激活的孪晶变体的SF排序为1或2，除了Tr3激活的SF排序3。以孪晶对Tr1-Ts1为例，孪晶晶粒Mr中的Tr1孪晶（V1）的SF（0.471）排序为第2，与SF（0.487）排序第1的变体相近。Ms中的Ts1孪晶的V1具有最高的SF（0.467）。具有共同晶界的两个激活的变体之间的m’均比较高，表明相邻晶粒之间应变协调起着重要作用。这是因为孪生会影响晶界，从而引起较高的应力集中，促进相邻晶粒中新孪晶的形核。此外，由于孪晶对中具有较好的应变协调性，因此在第三次沿TD压缩后，退孪生行为同时发生。

图8中展示了一个典型的穿过三个晶粒的孪晶链。经过第一次沿TD压缩之后，孪晶Tk1，Th1和Ti1分别出现在晶粒Mk，Mh和Mi中，形成孪晶链Tk1-Th1-Ti1。沿RD二次压缩过程中，孪晶链消失，并且晶粒Mk中的孪晶行为变得复杂化。在剩余的基体中观察到新孪晶Tk3的存在，并且新孪晶Tk2和Tk4在已经存在的孪晶Tk1中形核。同时，第一次压缩后在晶粒Mh中产生的孪晶Th2在第二次压缩时发生扩展和长大，而晶粒Mi中孪晶Ti1由于发生退孪生而收缩。再次沿TD压缩后，孪晶链再次出现，此外，孪晶Tk1，Th1和Ti1均发生扩展和长大。通过其SF分布可以观察到形成孪晶链Tk1-Th1-Ti1的孪晶都具有更高的SF，并且孪晶之间的应变协调因子m’也很高。由此可见，孪晶链的形成是SF定律和应变协调综合作用的结果。

通过观察相邻晶粒中孪晶链的形核行为，发现孪生区的应力状态和母晶的应力状态明显不同。随着变形过程的进行，具有较高局部应力集中的孪晶尖端容易在相邻晶粒中传递，因此，图8中最高SF的孪生Th1是孪晶链形核的首选位置，导致晶界中孪晶尖端的应力集中较高。然后，孪晶Tk1和Ti1可以在相邻的晶粒中被激活以释放应力集中，从而形成孪晶链。

相关研究成果以：“Analysis of {10–12} twinning variants’ selection behavior during multi-directional compression in Mg-3Al-1Zn magnesium alloy”为题发表在Journal of Materials Science，论文第一作者为Bingshu Wang，通讯作者为Bingshu Wang。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s10853-019-03561-1

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