镁合金承力部件在服役时往往承受交变循环载荷,研究清楚其宏观循环变形行为与微观组织结构之间的联系,探明其循环塑性变形机理,对于完善镁合金循环塑性理论,调控其疲劳性能,进而推广镁合金的应用有着重要意义。本文以强织构镁合金Mg-6Zn-0.5Zr(ZK60)挤压棒材为研究对象,首先,通过应变控制的拉压循环变形实验,研究了挤压态ZK60合金的循环变形行为及低周疲劳寿命,并对挤压合金实施时效处理(T5)和预压缩处理,研究分析了析出相和初始孪晶对合金循环变形行为及低周疲劳寿命的影响规律;然后,通过背散射电子衍射(EBSD)技术,重点研究了ZK60合金在单向拉伸、单向压缩和应变幅值为4%的循环变形过程中的孪晶演变规律,并对其孪生-去孪行为进行了定量分析;最后,对多种循环加载条件下的应力-塑性应变曲线进行了细致的分析,着重研究了循环塑性特征(弹性极限幅值、曲线拐点)随着加载周次以及应变幅值的演化规律,并尝试建立了合金宏观循环塑性特征与微观组织结构之间的联系,阐明了强织构镁合金的循环塑性变形机理。不同状态ZK60合金单向拉伸和单向压缩变形行为的研究结果表明,挤压态和时效态合金均表现出明显的拉压不对称性,其单向拉伸宏观屈服的塑性机理为柱面<a>滑移,而单向压缩宏观屈服的塑性机理为拉伸孪生。时效态合金的拉伸、压缩强度均高于挤压态合金。经过5%变形量预压缩合金的初始组织中含有约56%的拉伸孪晶,其拉压不对称性降低,单向拉伸宏观屈服的塑性机理为去孪,而单向压缩宏观屈服的塑性机理为拉伸孪生。挤压态ZK60合金循环变形行为的研究结果表明,在不同的应变幅值下,合金表现出不同的应力-应变滞回曲线形状及微观变形机理。当应变幅值小于或等于0.32%时,未发现孪生参与循环变形,其应力应变滞回曲线的上、下半支接近对称,均不呈S形;平均应力接近为零,应力幅值不随加载周次的增加而变化,没有明显的循环硬化,循环变形的主要机理是基面滑移。当应变幅值在0.32%~1.5%之间时,孪生开始参与循环变形,其应力应变滞回曲线呈典型的非对称形状,只有上半支呈S形;平均应力为正值,应力幅值随着循环周次的增加而增加,表现出一定的循环硬化特征;在压缩半圈,孪生过程未饱和,而在拉伸半圈,去孪过程充分,非基面滑移开始启动,其循环变形的主要机理可定义为“部分孪生-去孪完成”。当应变幅值在1.5%~5%之间时,其应力应变滞回曲线的上、下半支几乎完全对称,均呈S形;循环变形早期的平均应力为正值,随着加载圈数的增大,平均应力显著下降;应力幅值随着循环周次的增加而显著增加,表现出明显的循环硬化;在压缩半圈,孪生过程饱和,非基面滑移开始启动,而在拉伸半圈,去孪过程充分,非基面滑移开始启动,其循环变形的主要机理可定义为“孪生饱和-去孪完成”。时效态ZK60合金循环变形行为的研究结果表明,当应变幅值小于0.35%时,循环变形的主要机理是基面滑移,其应力应变滞回曲线形状、应力幅值和平均应力与挤压态合金相比没有明显差别,时效析出相对合金的基面滑移没有明显的强化效果。当应变幅值在0.35%~5%之间时,孪生-去孪行为参与循环变形,在循环变形的前期,时效态合金的应力幅值明显大于挤压态合金的应力幅值,时效强化效果明显;随着加载周次的增加,时效态合金的应力幅值与挤压态合金的应力幅值逐步趋于一致;在循环变形的中后期,两个状态合金的应力应变滞回曲线几乎重合,时效强化效果不明显。5%预压缩态ZK60合金循环变形行为的研究结果表明,当应变幅值在0.35%~1.5%之间时,拉伸半圈的去孪过程没有进行完全,应力应变滞回曲线的形状从挤压态合金的典型不对称变为预压缩态合金的接近对称,循环变形机理从挤压态合金的“部分孪生-去孪完成”变为预压缩态合金的孪生-去孪,且孪生和去孪均没有饱和。当应变幅值小于0.35%以及在1.5%~5%之间时,初始孪晶对合金的循环变形行为无明显影响。不同状态ZK60合金的低周疲劳寿命的研究结果表明,挤压态、时效态和预压缩态合金的应变-疲劳寿命曲线上均存在两个拐点,低的拐点对应的应变幅值分别为0.32%(挤压态)和0.35%(时效态、预压缩态),高于该应变幅值时,孪生-去孪行为参与循环变形;高的拐点对应的应变幅值均为3%,高于此应变幅值时,其疲劳寿命非常短,疲劳寿命和应变幅值在log-log坐标下呈现出线性关系,且疲劳试样在压缩半圈断裂。时效析出相对合金疲劳寿命的影响非常微弱。当应变幅值在0.35%~2%之间的时,初始孪晶能明显提高合金的疲劳寿命,但在其它应变幅值下,初始孪晶对合金的疲劳寿命无明显影响。挤压ZK60合金单向变形过程中孪晶演变规律的研究结果表明,当单向拉伸变形量达到5%时,合金中出现{101 1}压缩孪晶和{101 1}-{101 2}二次孪晶,随着变形量的增大,孪晶的尺寸不断增大,数量也略有增加。单向压缩过程中,{101 2}拉伸孪晶不断形核、扩展和长大,当应变量分别为1%、2%、4%、5%、6.4%、8%、10%和15%时,拉伸孪晶的体积分数分别为6.1%、24%、29%、56%、79%、90%、91%和92%;当应变量达到10%时,合金中出现{101 1}-{101 2}二次孪晶。4%应变幅值下挤压ZK60合金循环变形过程中孪晶演变规律的研究结果表明,在压缩半圈,塑性变形以拉伸孪生为主;在拉伸半圈,塑性变形以去孪为主,压缩半圈产生的拉伸孪晶几乎全部被去孪去除,随着加载周次的增加,拉伸半圈结束时的残余拉伸孪晶累积并不明显,第21圈时残余孪晶的体积分数仅为3%。循环变形过程中反复进行的孪生-去孪过程,会对材料造成显著的循环硬化,随着循环周次的增加,孪晶形核点增加,孪晶数量增多,孪晶长大受到抑制,孪晶比较细窄。在循环变形的第一压缩半圈的应变为零处,合金单位面积(100?m×100?m)内的孪晶数量为35左右,孪晶宽度为3-6?m;在循环变形的第六压缩半圈的应变为零处,合金单位面积(100?m×100?m)内的孪晶数量增加到100左右,孪晶宽度降到小于2?m,孪晶边界变得不再平滑,呈现断断续续的锯齿状。在循环变形的第一圈和第六圈,合金中均还观察到{101 1}-{101 2}二次孪晶。多种循环加载条件下挤压ZK60合金循环塑性特征的研究结果表明,材料卸载过程中的弹性极限幅值取决于卸载前材料的微观组织。单步应变控制循环变形的压缩半圈以及应变幅值小于等于0.32%的拉伸半圈,卸载前材料中不含拉伸孪晶,卸载过程中弹性到塑性的变形机理为基面滑移,弹性极限幅值大小约为100MPa,且不随加载周次和应变幅值的变化而变化,该值对应着基面位错开动所需的宏观应力。单步应变控制循环变形下应变幅值大于0.32%的拉伸半圈,卸载前材料中含有拉伸孪晶,卸载过程中弹性到塑性的变形机理为去孪,弹性极限幅值大小在20MPa到100MPa之间,在0.4%应变幅值循环变形的第一圈,该值具有最小值(20MPa左右),随着加载周次和应变幅值的增大,该值不断增大,在4%应变幅值循环变形的半寿命圈,该值增大到100MPa左右;两步应变控制循环变形和应力控制循环变形的拉伸、压缩半圈,卸载前材料中均含有拉伸孪晶,卸载过程中弹性到塑性的变形机理为去孪(拉伸半圈)或再次孪生(压缩半圈),弹性极限幅值均小于100Mpa。当弹塑性转变机理为去孪或者再次孪生时,弹性极限幅值的大小对应着孪晶位错开动所需的宏观应力,孪晶分数的增加及循环硬化的累积会使该值增加。