[论文解读] Deformation mechanisms of Mg-Ca-Zn alloys studied by means of micropillar compression tests

Jingya Wang, Yiwen Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Magnesium Alloys: Properties and Applications参考文献 68被引用 4

一句话总结

本研究通过具有不同取向的单晶微柱压缩试验，研究了Mg-Ca-Zn合金中的形变机制。结果表明，Ca和Zn固溶体显著提高了基面滑移的临界 resolved剪切应力（CRSS，约13.5 MPa），抑制了孪晶生长（CRSS约37 MPa），并促进了交滑移和棱柱滑移，这些效应共同降低了塑性各向异性，提升了延展性和成形性。

ABSTRACT

The effect of Ca and Zn in solid solution on the critical resolved shear stress (CRSS) of basal slip, tensile twinning and pyramidal slip in Mg alloys has been measured through compression tests on single crystal micropillars with different orientations. The solute atoms increased the CRSS for basal slip to ~ 13.5 MPa, while the CRSS for pyramidal slip was lower than 85 MPa, reducing significantly the plastic anisotropy in comparison with pure Mg. Moreover, the CRSSs for twin nucleation and growth were very similar (~ 37 MPa) and the large value of the CRSS for twin growth hindered the growth of twins during thermo-mechanical processing. Finally, evidence of prismatic slip and cross-slip between basal and prismatic dislocations was found. It is concluded that the reduction of plastic anisotropy, the activation of different slip systems and cross-slip and the weak basal texture promoted by the large CRSS for twin growth are responsible for the improved ductility and formability of Mg-Ca-Zn alloys.

研究动机与目标

• 理解Ca和Zn溶质在改变Mg合金形变机制中的作用。
• 量化溶质原子对基面滑移、正交滑移和孪生的临界 resolved剪切应力（CRSS）的影响。
• 研究非基面滑移系统和交滑移在Mg-Ca-Zn合金中的激活行为。
• 从微观尺度解释Mg-Ca-Zn合金中观察到的延展性和成形性提升的机理。

提出的方法

• 对具有可控晶向取向的Mg-Ca-Zn合金单晶微柱进行了微柱压缩试验。
• 通过特定取向制备试样，以探测基面、棱柱面和正交滑移系统。
• 从载荷-位移曲线中提取了基面滑移、正交滑移和孪晶形核/生长的CRSS值。
• 通过压缩后的显微组织分析，识别出位错滑移系统以及基面与棱柱面位错之间交滑移的证据。
• 通过对比分析评估了溶质原子（Ca和Zn）对CRSS和织构演化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ca和Zn溶质如何影响Mg-Ca-Zn合金中基面滑移的临界 resolved剪切应力（CRSS）？
• RQ2 这些合金中正交滑移的CRSS是多少？其与基面滑移相比有何差异？
• RQ3 溶质原子如何影响孪晶形核和孪晶生长的CRSS？
• RQ4 是否存在棱柱滑移以及基面与棱柱面位错之间交滑移的证据？
• RQ5 这些形变机制如何共同作用以降低塑性各向异性并提升成形性？

主要发现

• 由于Ca和Zn的固溶强化作用，Mg-Ca-Zn合金中基面滑移的CRSS提高至约13.5 MPa。
• 正交滑移的CRSS小于85 MPa，表明该形变模式的抗力相对较低。
• 孪晶形核和孪晶生长的CRSS均约为37 MPa，其中孪晶生长的高CRSS显著抑制了孪晶的扩展。
• 实验观察到< a >棱柱滑移以及基面与棱柱面位错之间交滑移的证据。
• 塑性各向异性降低、多滑移系统激活以及孪生被抑制的综合作用，解释了Mg-Ca-Zn合金中延展性和成形性的提升。