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解释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准确预测镁合金低周疲劳行为的力学响应和变形机制。

力学与土木工程学院力学系郭晓倩副教授与美国田纳西大学、加拿大麦克马斯特大学及南京工业大学的研究人员合作，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规律，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。研究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：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” 发布在国际固体力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（力学类TOP期刊, 中科院一区，IF=5.951）上。

论文以中国矿业大学为第一单位，郭晓倩副教授为论文第一作者，南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心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。研究工作得到国家自然科学基金项目(No.51601218)、中国博士后基金项目（2020M671640）、江苏省自然科学基金项目(BK20202010)资助。

图1 循环应力-应变曲线

图2 孪晶体积分数演化规律

图3 晶格畸变演化

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105030