一、研究背景 

 镁合金作为最轻的金属结构材料，在国防军工以及国民经济等领域具有重要的应用前景。镁合金管材是其重要的应用形式之一，而挤压是生产镁合金管材的主要方法。然而，镁合金挤压管材往往因存在强烈的基面纤维织构而表现出显著的力学各向异性，导致其在弯曲、打扁或扩口等二次成形工艺中性能较差，限制了应用范围。为此，弱化强织构有助于降低镁合金挤压管材的力学各向异性，改善其二次成形性能，这对于拓展镁合金的应用具有重要意义。目前，主要通过管材大塑性成形工艺或合金化手段来调控织构，以提升其力学性能和二次成形性能。在众多合金化元素中，具有储量丰富且价格相对低廉的轻稀土元素Ce（铈），仅需少量添加即可显著弱化织构，细化组织，展现出在大规模工业生产中的巨大潜力。此外，廉价的碱土元素Ca（钙）也具有类似的效果。研究表明，Ce和Ca元素的组合添加对镁合金织构的弱化作用更为显著。因此，通过微量组合添加轻稀土元素Ce和碱土元素Ca，有望有效削弱传统镁合金挤压管材中的强织构，降低力学各向异性，进而显著改善其二次成形性能。 东北大学乐启炽教授课题组在前期成功开发出具有低成本和优良综合力学性能的Mg-2Zn-0.4Mn-0.4Ce-0.2Ca（ZMEX）民用镁合金挤压管材。最近，该团队进一步研究了该镁合金管材在室温压缩下的力学各向异性行为，发现ZMEX管具有弱基面纤维织构。由于弱织构的存在，管材在压缩过程中沿三个方向的孪生与滑移变形行为趋于相似，从而显著降低了压缩各向异性。相比其他采用稀土元素（如Nd、Y、Gd等）制备的镁合金管材相比，ZMEX合金管材不仅在轻量化方面更具优势，且室温下的力学各向异性更低，展现出更广阔的应用前景。 

 二、图文导读 

 图1（a）展示了ZMEX管材在挤压方向 （ED）、偏离挤压方向45°（45ED）以及横向（TD）的压缩真应力-应变曲线。三条曲线呈现出高度重合的S形特征，其详细力学性能统计见图1（c）。可以看出，ZMEX管材在这三个方向上的抗压屈服强度（CYS）、极限抗压强度（UCS）以及压缩断裂应变（CFS）相近，表明其在压缩变形过程中具有较低的力学各向异性。合金的力学各向异性主要受变形机制、初始晶粒取向和第二相的影响。应变硬化曲线的变化揭示了不同的变形阶段。根据图1（b）中的硬化速率曲线，合金的压缩变形可分为三个阶段。Ⅰ阶段（应变为1.0% ~ 1.6%）表现出明显的屈服平台，代表弹塑性过渡阶段，此时应变硬化率迅速下降至接近零。Ⅱ阶段（应变为1.6% ~ 9.0%），则表现为应变硬化率随应变增大显著增加，这与大量孪晶的激活有关。进入Ⅲ阶段（应变为9.0%至断裂），应变硬化率逐渐下降，表明塑性变形由位错滑移主导。因此，本研究主要从第二相、初始态组织以及不同压缩阶段的变形行为角度，探讨ZMEX管材低压缩各向异性的成因。 

 图1 ZMEX挤压管材在ED、45ED和TD方向的压缩力学性能：（a）真应力-应变曲线，（b）应变硬化率曲线，（c）力学性能数值 

图2展示了ZMEX管材的挤压态组织。其中，图2（a）-（c）依次为挤压后的IPF图、再结晶分布图和织构。可以得出，热挤压过程中大部分数晶粒发生了动态再结晶，挤压后晶粒的<0001>轴在远离RD（径向）-TD平面的方向上，沿ED方向呈现0°~60°的偏转，同时沿RD方向偏转至TD方向0°~80°的取向。这表明，ZMEX挤压管材具有较弱的基面纤维织构。图2（d）-（e）为挤压后的SEM图，图2（e）的局部放大图显示合金中包含两种相。结合XRD和EDS检测结果，明确对比度较暗、形态不规则或球状且沿晶界或晶粒内部分布的相为(Mg1-xZnx)11Ce相，其体积分数较高，尺寸大多超过1 μm；而另一种对比度较亮、呈细长形态分布于晶界处的相为Mg12Ce相，体积分数很低（远低于0.1%）。通常，只有与基体有特定取向关系且含量较高的第二相才会影响合金的力学各向异性。Mg12Ce相与镁基体的特定取向关系（[100]Mg12Ce // [0001]α-Mg and （002） Mg12Ce // {10-10}α-Mg）已被广泛报道，但由于本研究中的ZMEX合金中Mg12Ce相的体积分数极低，其对ZMEX管材力学各向异性的影响可忽略不计。图2（f）~（i）分别为(Mg1-xZnx)11Ce相的选区电子衍射（SAED）图和A、B和C三个区域的高分辨透射电子显微（HRTEM）图像。(Mg1-xZnx)11Ce相与镁基体之间的模糊界面证实两者间不存在特定的取向关系，因此(Mg1-xZnx)11Ce三元相对ZMEX管材力学各向异性的影响也可忽略不计。

综上所述，ZMEX管材挤压态组织中的弱织构可能是影响其力学各向异性的主要原因，织构的强度影响管材在不同方向上的变形行为差异。ZMEX管材弱织构的形成可能与(Mg1-xZnx)11Ce相引导的PSN效应以及Ce和Ca元素添加导致的不稳定层错能降低密切相关。 

 图2 ZMEX管材挤压态组织：（a）~（c）晶粒取向分布与再结晶组织，（d）~（e）SEM组织，（f）~（i）第二相的TEM组织 

图3展示了ZMEX管材在ED、45ED和TD三个方向上，分别在1.4%和8.0%压缩应变下的晶粒取向分布图和孪生情况。与挤压态组织相比，图3（a）-（c）显示在1.4%应变下，三个变形方向的晶粒IPF颜色略微偏红，低角度晶界（LAGBs）的比例相近，并略高于挤压态组织。此外，未观察到孪晶的产生，表明在低应变下，仅有少量滑移在三个方向上被激活。当应变增加至8%时，图3（d）-（f）显示，三个方向上大部分晶粒的IPF颜色趋向绿色或蓝色，表明晶粒取向发生了显著改变。

同时，在三个方向上均出现大量孪晶，说明阶段为孪晶充分形核与扩展时期。图3（g）-（j） 进一步通过孪晶分布和统计数据证实，三个方向上均产生了大量的拉伸孪晶（ETW），并包含少量的ETW-ETW变体对，且ETW界面含量相近。ETW通常在晶粒的<0001>轴受压时容易形成，因此在8%应变下，三个方向上相近的ETW含量可能与ZMEX管材挤压态的弱基面纤维织构有关。晶粒<0001>轴在ED、45ED和TD方向的偏转为这三个方向上的ETW孪生行为提供相似的取向关系。此外，在8%应变下，三个方向上LAGBs显著增加，表明丰富的位错活动同时存在于三个方向上。

 图3 ZMEX管材沿三个方向在不同压缩应变下的组织：（a）~（c）1.4%应变的晶粒取向，（d）~（f） ）8%应变的晶粒取向，

（g）~（j） 8%应变的孪晶分布和统计图 图4显示了ZMEX管材在1.4%和8.0%压缩应变下，各滑移系在三个方向上的激活比例或SF值统计。

图4（a）~（d）统计了1.4%应变下各滑移系的激活比例。在此应变下，三个变形方向上各选取200多个晶粒，根据施密德定律确定各晶粒激活的滑移系。图4（d）的统计结果表明，在变形阶段Ⅰ，三个方向上的基面滑移系激活比例最高，其次是柱面和锥面滑移系，各滑移系在三个方向上的比例非常接近，这导致ZMEX管材在三个方向上相近的CYS值。随着变形的进行，在8%应变下，三个方向上均产生了大量的ETW。一方面，孪晶界作为一种特殊晶界对位错有一定的阻碍作用，从而产生强化效应。另一方面，大量的ETW和部分晶界滑移使大部分母晶的<0001>轴转动到与载荷方向呈-30°~30°的取向，因此在阶段Ⅱ中晶内滑移变形模式发生了明显转变。图4（e）~（h）展示了ZMEX管材在8.0%应变下沿三个方向的各滑移系的SF分布及SF均值。

由于柱面和锥面滑移系的最佳激活取向分别对应晶粒的<0001>轴与压缩载荷方向形成10°和20°的夹角，因此柱面滑移系的SF值最高，其次是锥面滑移系，基面滑移系的SF值最低。因此，在阶段Ⅱ中，主导的基面滑移逐渐降低，而柱面和锥面滑移逐渐增多。由于柱面和锥面滑移系的CRSS远高于基面滑移系，其活动增强会产生强化效应。这种强化主要源于孪晶引起的织构变化，通常称为织构强化。孪晶形核导致的孪晶界强化和织构强共同作用，导致阶段Ⅱ三个方向的应变硬化率增加。随着应变继续增大，进入阶段Ⅲ时，孪晶形核趋于饱和，其对位错滑移的阻碍作用减弱，三个方向的塑性变形逐渐由位错滑移主导，应变硬化率均开始下降。由于ZMEX管材在8.0%应变下三个方向的孪晶界含量及各滑移系的SF值相近，相似变形行为导致了阶段Ⅱ中应变硬化率增加速率，以及阶段Ⅲ中应变硬化率下降速率的趋同，最终导致三个方向的UCS和CFS值接近。综上所述，ZMEX挤压管材在室温下的压缩各向异性较低，主要归因于弱织构引起的三个方向上相似的变形行为。

 图4 ZMEX管材沿三个方向在不同压缩应变下各滑移系的激活占比或SF值：（a）~（d）1.4%应变，（e）~（h）8.0%应变 

 三、结论与展望 

 综上所述，本研对ZMEX民用镁合金挤压管材在挤压方向 （ED）、偏离挤压方向45°（45ED）以及横向（TD）下的室温压缩力学各向异性进行了详细分析。结果表明，ZMEX挤压管材具有弱基面纤维织构，晶粒的<0001> 轴在远离RD（径向）-TD平面，向ED方向偏转0°~60°，同时沿RD方向偏转至TD方向0°~80°的取向上分布。这种弱织构使得ZMEX管材在压缩变形过程中，沿三个方向的孪生和滑移变形行为较为相似，导致压缩力学各向异性较低。与现有的Mg-RE（Nd、Y、Gd等）合金管材相比，ZMEX合金管材具有更显著的轻量化优势以及更低的室温力学各向异性，展示出更为广阔的应用前景。 

 四、文章信息 

 该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第3期： [1] Dandan Li*, Qichi Le, Xiong Zhou, Xiaoqiang Li, Chenglu Hu, Ruizhen Guo, Tong Wang, Ping Wang, Wenxin Hu. Study on the low mechanical anisotropy of extruded Mg-Zn-Mn-Ce-Ca alloy tube in the compression process [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12（3）: 1054-1067. 

 五、中文摘要 

 本研究制备了沿挤压方向（ED）、偏离挤压方向45°（45ED）以及横向（TD）具有低压缩力学各向异性的Mg-Zn-Mn-Ce-Ca（ZMEX）挤压管材。通过分析第二相、初始织构以及变形行，探讨了他们对管材力学各向异性的影响。结果显示，合金管材中含有较高含量的(Mg1-xZnx)11Ce相和极少含量的Mg12Ce相，两者与镁基体的取向关系分别不共格和共格，因而第二相的影响可忽略不计。此外，ZMEX挤压管材晶粒的<0001>轴在远离RD（径向）-TD平面，向ED方向偏转0°~60°，以及沿RD方向偏转TD方向0°~80°的取向上分布，呈现出弱基面纤维织构。这种织构使得三个方向的初始变形（1.0%∼1.6%应变）主要受基面<a>滑移控制。随着变形的深入（1.6∼9.0%应变），大量的ETW开始成核，并在各方向逐渐趋于饱和，导致晶粒的<0001>轴转动到与载荷方向呈-30°~30°的取向上。同时，柱面<a>滑移和锥面<c+a>滑移逐渐取代成为主要的变形机制，直至压缩断裂。综上，ZMEX管材的弱织构使得在压缩过程中，三个方向的孪生和滑移变形行为相近，从而导致压缩力学各向异性较低。

 六、英文摘要 

 In this study, the extruded Mg-Zn-Mn-Ce-Ca alloy tube with a low compression anisotropy along the ED, 45ED and TD was prepared. The effect of the second phases, initial texture and deformation behavior on this low mechanical anisotropy was investigated. The results revealed that the alloy tube contains the high content (Mg1-xZnx)11Ce phase and the low content of Mg12Ce phase. These second phases are respectively incoherent and coherent with the Mg matrix, and their influence can be ignored. Additionally, the alloy tube exhibited a weak basal fiber texture, where the c-axis was aligned along the 0° ∼ 30° tilt from TD to ED. Such a texture made the initial deformation (at 1.0% ∼ 1.6% strain) of the three samples controlled by comparable basal <a> slip. As deformation progressed (1.6∼9.0% strain), larger amounts of ETWs nucleated and gradually approached saturation in the three samples, re-orienting the c-axis to a 0°∼±30° deviation with respect to the loading directions. Meanwhile, the prismatic 〈a〉 and pyramidal <c+a> slips replaced the dominant deformation progressively until fracture. Eventually, the similar deformation mechanisms determined by the weak initial texture in the three samples contribute to the comparable strain hardening rates, resulting in the low compressive anisotropy of the alloy tube. 

 七、作者简介 

 第一作者/通讯作者简介： 李丹丹（第一作者），东北大学博士研究生，主要从事镁合金变形行为及强化机理的研究。目前在Journal of Magnesium and Alloys、Journal of Alloys and Compounds、Materials Science and Engineering A和Journal of Materials Research and Technology等国内外高水平期刊上发表学术论文10余篇，其中以第一作者发表SCI收录论文4篇。 乐启炽（通讯作者），东北大学教授/博导，长期致力于镁合金的凝固与外场调控、先进成形理论与工艺、电化学与表面工程、合金化与高性能轻合金设计等多领域研究。尤其在镁合金电磁铸造技术方面取得显著成果，并成功推广至行业应用。持完成国家“863”计划、“973”计划、国家科技支撑计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金和省部级研究课题20余项。曾获获国家科技进步二等奖1项、省部级科技发明一等奖2项、二等奖1项。