南工大&中国矿大《JMPS》：镁合金低周疲劳行为的晶体塑性模拟

镁合金是迄今已知最轻的金属结构材料，在先进轨道交通和航空航天领域的大规模应用将有助于轻量化和节能减排。镁合金结构件在服役过程中不可避免地承受循环载荷而发生疲劳失效。基于安全性及可靠性要求，镁合金疲劳行为的相关研究至关重要。利用模型进行数值模拟是定量研究镁合金疲劳变形行为的有效手段。然而强织构镁合金的低周疲劳主要由孪晶-退孪晶交替主导，对传统的本构模型提出了很大的挑战。因此，在先前的模拟工作中往往难以同时准确预测镁合金低周疲劳行为的力学响应和变形机制。本研究采用考虑孪生与退孪生行为的弹粘塑性自洽（EVPSC-TDT）模型模拟了AZ31镁合金沿RD方向应变幅值为±2%条件下的低周疲劳行为，通过对比实验测得的应力-应变曲线、峰值应力和孪生体积分数等验证模型的有效性。此外，首次预测了镁合金全周期疲劳过程中晶格应变演化，并结合中子衍射实验结果，揭示了镁合金循环变形中的孪生-退孪生行为及循环硬化机理。

近日，南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心信运昌教授与中国矿业大学力学与土木工程学院郭晓倩副教授等人合作，采用修正的考虑孪生与退孪生行为的弹粘塑性自洽（EVPSC-TDT）模型，对AZ31镁合金板材的低周疲劳行为进行了数值模拟（加载方向：轧制方向，应变幅值：±2%），并与实时原位中子衍射测定的力学响应和变形行为进行了比较。模拟结果很好地预测了全疲劳周期的迟滞回线和循环硬化响应，以及最大孪晶体积分数和残余孪晶的演化。首次准确预测了晶格应变在整个疲劳周期中的演化规律。

此外本工作还发现在疲劳循环过程中，最大孪晶体积分数随疲劳循环次数呈现出“先增加-后减小-再增加”的变化趋势。这一发现纠正了先前认为最大孪晶体积分数在初始阶段增加-后期趋于饱和的观点。基于模拟结果对循环硬化机理也提出了新的见解：本研究认为压缩阶段的循环硬化主要与不可逆位错导致的孪晶界固化和残余孪晶的产生相关，而滑移与孪晶的相互作用是引起拉伸阶段循环硬化的主要原因。该成果以题为“Crystal plasticity modeling of low-cycle fatigue behavior of an Mg-3Al-1Zn alloy based on a model, including twinning and detwinning mechanisms” 发布在Journal of the Mechanics and Physics of Solids上，其中郭晓倩副教授为论文第一作者，成瑶博士为论文的共同第一作者，信运昌教授为论文的通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105030

图1 循环曲线

图2孪晶体积分数演变

图3 点阵应变

综上所述，该研究利用EVPSC-TDT模型成功地预测了整个循环周期的力学响应和变形行为。首次模拟了晶格应变在整个疲劳周期中的演化过程。此外结合中子衍射结果，对整个循环变形中孪生-退孪生行为及循环硬化机理有了新的认识。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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