镁合金是最轻的工程金属材料，具有密度低，比强度高等一系列优点，是汽车、航天和军事工业中重要的轻量化材料。金属镁及其合金具有密排六方结构，在室温下可以启动的独立滑移系较少，因此变形能力较差，一定程度上限制了镁合金的广泛应用。在轧制、冲压等加工成型过程中，镁合金不可避免地承受双轴应力作用，在进一步限制滑移及孪生启动的同时，还导致镁合金力学响应上的异常强化行为。因此，镁合金在双轴载荷下的力学响应及微观变形机制一直是国内外学者关注和研究的重点。目前，采用十字形试样的双轴拉伸实验方法是研究复杂应力作用下镁合金变形机制的常用方法。相比传统的埃尔克森实验或内压膨胀实验，该方法一方面能够精确施加具有任意应力比和复杂加载路径的双轴载荷，另一方面避免了平面外变形，大大提高了实验结果的可信度。因此，利用面内双轴拉伸实验，澄清镁合金在复杂载荷作用下的变形机制，对于提升镁合金的变形协调能力，调控镁合金的成型加工工艺，具有重要的理论意义与工程应用价值。
最近，天津大学陈刚教授课题组利用原位双轴疲劳实验系统在不同加载比下开展了AZ31镁合金轧制板的面内双轴拉伸实验。结果表明，在双轴载荷的约束下，协调面内变形的非基面<a>滑移的活性降低，协调试样厚度方向变形的锥面<c+a>滑移和{10-11}压缩孪生的活性提高。面内变形能力的降低和厚度方向变形能力的提高导致材料产生了与单轴加载完全不同的力学响应和强化行为。双轴变形机制的澄清对调控镁合金织构和加工工艺具有重要的指导意义。
本文系统研究了AZ31镁合金轧制板在双轴拉伸载荷下的力学响应、强化行为及相应的微观变形机制。5种不同加载比的双轴拉伸实验采用改进的ISO十字形试样在IPBF-8000原位双轴疲劳试验系统上开展。双轴疲劳实验机和十字形试样示意图以及单轴和双轴拉伸实验的应力-应变曲线如图1所示。相比单轴拉伸，在不同加载比下的双轴拉伸实验中AZ31镁合金的屈服强度有20%左右的提升，同时产生了不同于单轴拉伸的强化现象，导致双轴拉伸实验中AZ31镁合金的流动应力提高，变形能力降低。这种强化现象还导致了塑性功曲线的形状改变。图2(b)为在0.2%~0.6%塑性应变范围内以RD单轴拉伸屈服强度归一化后的塑性功曲线。可见，塑性功曲线的形状随塑性应变的增加变化明显，尤其是在加载比为1:1时。塑性功曲线形状的变化反映出AZ31镁合金轧制板的各向异性使得材料在成型过程中变形不均匀，严重影响了加工生产效率。
图1 (a)IPBF-8000原位双轴疲劳实验系统；(b)改进的ISO十字形试样及几何尺寸；(c-g)加载比为1:1, 1:2, 2:1, 1:4, 4:1的双轴拉伸实验结果；(h)单轴拉伸实验结果
图2 (a) 塑性应变范围在0.2%~0.6%时的塑性功曲线；(b) 归一化结果
（注：图(a)各应力点处的直线表示应力空间中各应力点的塑性应变率方向）
为澄清在双轴加载中导致异常强化行为的微观变形机制，本研究通过计算单轴及双轴实验中的加工硬化速率曲线，并结合单轴和双轴加载实验结果的EBSD数据计算平均Schmid因子进行分析。图3为单轴和双轴拉伸实验的加工硬化速率曲线。在密排六方金属加工硬化过程中，第一阶段为弹塑性转变过程；在第二阶段，加工硬化速率几乎保持不变；而在第三阶段，加工硬化速率随应力增加线性下降。单轴加载时，在弹塑性转变后加工硬化速率随应力的增加线性下降，说明加工硬化在第二阶段受到抑制，直接发生了第三阶段的加工硬化，而这与基面、柱面<a>滑移形成的交滑移所引起的动态恢复密切相关。对于基面织构较强的轧制AZ31镁合金板材，沿RD或TD单轴加载时，柱面<a>滑移为主导变形机制，这导致了弹塑性转变后的第三阶段软化行为。双轴加载的宏观加工硬化速率远高于单轴加载。虽然实验曲线的变化趋势与单轴实验相似，但在双轴加载下非基面<a>滑移受到抑制导致AZ31镁合金面内变形能力下降。因此双轴加载实验的弹塑性过渡段延长且渐变，第三阶段难以启动，从而导致了强化行为的发生。
图3单轴和双轴拉伸实验的加工强化速率曲线：(a)RD；(b)TD
为进一步验证对加工硬化速率曲线的分析结果，本研究通过单轴和双轴加载实验的EBSD结果计算了各滑移系和孪晶系的平均Schmid因子，结果如图4所示。对于所有应力比下的双轴拉伸实验结果，柱面<a>滑移的Schmid因子均大大低于单轴拉伸。特别是当应力比为1:1时，柱面<a>滑移的Schmid因子仅为0.0754。可见柱面<a>滑移的活性与平面内的变形协调密切相关。当应力比为1:4和4:1时，小载荷加载方向的应变为负，以协调另一方向的正变形，此时柱面<a>滑移的Schmid因子分别为0.4304和0.4095，在所有应力比中最高。在其它应力比下，加载平面内没有负应变来协调试样的变形，只能通过厚度方向的负应变来协调变形，因此柱面<a>滑移的Schmid因子大大降低。此时，锥面<c+a>滑移和{10-11}压缩孪生的Schmid因子最高，这两种变形成为协调厚度方向变形的主导变形机制。
图4 单轴和双轴加载实验的平均Schmid因子
综上所述，本研究利用原位双轴疲劳实验系统开展了AZ31镁合金轧制板的面内双轴拉伸实验，发现双轴加载抑制了协调平面内变形的非基面<a>滑移，同时增强了协调厚度方向变形的锥面<c+a>滑移和{10-11}压缩孪生的活性。变形机制的变化导致了双轴加载过程中的异常强化行为，进而降低了AZ31镁合金的加工成型性能。本研究对优化镁合金的加工工艺具有指导意义。
