近日，西南交通大学康国政教授带领的材料本构关系及疲劳断裂团队在镁合金疲劳损伤机理方向取得重要进展，相关工作以“In-situ synchrotron X-ray tomography investigation on damage mechanism of an extruded magnesium alloy in uniaxial low-cycle fatigue with ratchetting”为题发表在金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》（IF：7.656，中科院一区）上，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116881。博士研究生王子仪为论文的第一作者，吴圣川研究员为第二作者，英国曼彻斯特大学材料学院教授、中国科学院外籍院士Philip J. Withers和上海同步辐射光源付亚楠研究员为共同作者，康国政教授为通讯作者。
镁合金是最轻的金属结构材料，其在轨道交通和航空航天领域的大规模应用将极大地提高能源利用率，降低碳排放，为美丽中国的建设提供助力。作为结构材料，镁合金在服役过程中将面临着疲劳失效问题，而其拉-压非对称性使得其疲劳机理更为复杂，这将限制镁合金在承载部件上的进一步推广和使用。目前关于镁合金低周疲劳机理的研究大多局限于材料在应变控制加载下的表面损伤，对于应力控制下的、材料内部的损伤机理研究尚缺系统。
镁合金的拉压非对称性来源于多种变形机制的参与，如拉伸时位错滑移机制主导变形，而压缩时孪生机制更容易被激活，且在压缩后再次拉伸时发生解孪。团队针对三种加载工况进行了实验研究，分别对应孪生/解孪主导变形（TDD），孪生/解孪和位错滑移共同主导变形（TDSD），以及位错滑移主导变形（SD）。三种样品在疲劳加载后，利用团队自主开发的原位加载装置于上海同步辐射光源开展成像实验，并对成像后的样品进一步开展EBSD和TEM表征，进而探究了不同变形机理主导变形时镁合金的低周疲劳损伤机理。
图 1：(a)样品尺寸，取样方式及织构示意图；(b)初始挤压态样品EBSD结果；(c)上海同步辐射光源实验现场；(d-f)三种加载工况下的应力-应变曲线。
实验结果表明，三种加载模式下样品的损伤形式迥异：TDSD样品中可观测到大量裂纹萌生，TDD样品中裂纹数目减少，而SD样品中仅出现单个裂纹；TDSD样品中，裂纹间出现剪切合并的形式，TDD样品中两条表面裂纹间出现剪切合并的趋势，而SD样品中裂纹基本平行于横截面扩展；SD样品中有沿晶裂纹和滑移带裂纹产生，而在TDSD和TDD样品中还观测到了孪晶界裂纹。
图 2：上方为三种样品同步辐射成像结果；下方为三种样品表面损伤形貌
图 3：上方为三种样品的EBSD表征结果；下方为三种样品的TEM表征结果。
进一步的EBSD和TEM表征表明：TDD样品中出现大量孪晶，TDSD中孪晶体积分数相比而言减少，而SD样品中孪晶数量极少；三种样品中位错密度的多寡与孪晶体积分数的分布规律恰好相反；TDD样品中以高密度的基面[c]位错和<a>位错为主，TDSD和SD样品中额外发现较高密度的<c+a>位错。
图 4：三种样品在双束衍射模式下的TEM结果
基于实验结果，研究人员提出多种变形机制参与时镁合金的损伤机理：孪生相较于位错滑移而言更易发生，因此相较于SD样品，TDD样品中大量孪晶的产生更加有助于裂纹的萌生；对TDSD样品而言，晶粒中<c+a>位错的产生可使晶内平均应力维持在较高水平，而相邻晶粒中孪晶的产生却释放了晶内应力，因此晶间应力发生重分配。产生孪晶的晶粒之间的晶间应力将重分配到无孪晶晶粒与含孪晶晶粒间，导致除了孪晶界损伤和滑移带损伤之外，产生额外的沿晶损伤，这解释了TDSD样品中裂纹数目最多的原因。
图 5：三种样品的疲劳损伤机理示意图
该研究工作得到了国家自然科学基金11532010 和 U2032121的大力支持。康国政教授所领导的“材料本构关系和疲劳断裂”研究团队，近年已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《International Journal of Solids and Structures》《International Journal of Engineering Science》和《Acta Materialia》等固体力学与金属材料领域顶级期刊上发表34篇论文，产生了较大的国际学术影响力。
