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在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，輕量化材料成為工程結(jié)構(gòu)減重增效的核心需求。鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，其密排六方結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的復(fù)雜循環(huán)塑性行為與疲勞失效機(jī)制，成為制約其安全應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。近日，西南交通大學(xué)康國政教授團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》發(fā)表題為 A review on cyclic plasticity, damage, and fatigue failure of magnesium alloys的綜述論文，系統(tǒng)梳理了鎂合金循環(huán)塑性、損傷演化及疲勞失效的前沿進(jìn)展，推動(dòng)鎂合金從“可用”走向“可靠”。

圖1 論文首頁

鎂合金構(gòu)件（如汽車輪轂、航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件）在交變載荷下易發(fā)生疲勞失效，而其獨(dú)特的孿生/解孿與位錯(cuò)滑移交互作用，導(dǎo)致高度非線性的循環(huán)塑性行為和復(fù)雜的疲勞失效行為。論文深入探討了由實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬揭示的鎂合金宏觀力學(xué)行為與細(xì)觀變形、損傷機(jī)制之間關(guān)聯(lián)機(jī)制，進(jìn)而總結(jié)了相關(guān)的循環(huán)塑性本構(gòu)模型、損傷模型和壽命預(yù)測方法研究進(jìn)展（如圖2所示）。

圖2 鎂合金循環(huán)塑性、損傷和疲勞失效的主要研究方法和方面

在循環(huán)塑性行為方面，論文系統(tǒng)總結(jié)了鎂合金在單軸及多軸循環(huán)載荷下獨(dú)特的偽彈性、拉-壓不對稱性、“S”型硬化曲線及棘輪效應(yīng)等（如表1所示）。通過實(shí)驗(yàn)觀測與分子動(dòng)力學(xué)、晶體塑性有限元、相場方法等多尺度模擬手段，揭示了位錯(cuò)滑移與孿生/解孿的交互作用以及織構(gòu)等因素對宏觀塑性的調(diào)控機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建本構(gòu)模型提供了數(shù)據(jù)和機(jī)理支持。

表1 擠壓AZ31鎂合金和鑄造AZ91鎂合金的主要塑性變形行為和相應(yīng)的微觀機(jī)制總結(jié)

針對疲勞失效這一核心問題，論文梳理了已有實(shí)驗(yàn)研究揭示的加載方式（應(yīng)變或應(yīng)力控制）、載荷幅值、應(yīng)變比（或應(yīng)力比）、加載速率、加載方向和路徑、環(huán)境溫度等宏觀服役條件對鎂合金疲勞壽命和損傷演化的影響（如表2所示），并進(jìn)一步總結(jié)了微裂紋萌生（滑移帶-孿晶界/晶界交互作用引發(fā)的應(yīng)力集中，如表3所示）和微孔洞萌生（高溫棘輪變形誘導(dǎo)的析出相斷裂）機(jī)制。結(jié)合晶體塑性模擬和分子動(dòng)力學(xué)模擬，量化了織構(gòu)、晶粒尺寸及加載條件對微裂紋萌生與擴(kuò)展的影響。這些研究成果為疲勞壽命預(yù)測和材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了跨尺度的物理基礎(chǔ)。

表2 變形鎂合金的疲勞失效行為總結(jié)

表3 鎂及其合金的微裂紋萌生位置及相應(yīng)機(jī)制總結(jié)

在理論建模方面，論文分類總結(jié)了宏觀唯象本構(gòu)模型（如基于改進(jìn)的von Mises或C-P-B屈服準(zhǔn)則的本構(gòu)模型）和晶體塑性本構(gòu)模型（如考慮孿生/解孿機(jī)制的TDT模型）的優(yōu)勢與局限。在疲勞壽命預(yù)測方面，論文系統(tǒng)梳理了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停òɑ趹?yīng)變準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則的模型，如表4所示）和基于損傷力學(xué)的模型（包括連續(xù)損傷模型和細(xì)觀損傷模型）的發(fā)展歷程、基本假設(shè)、應(yīng)用場景及其局限性，為鎂合金工程結(jié)構(gòu)的安全評估和合理設(shè)計(jì)提供了重要參考。

表4 鎂合金半經(jīng)驗(yàn)疲勞壽命預(yù)測模型總結(jié)

西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院王子儀博士（現(xiàn)為清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后）為第一作者，西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院康國政教授為通訊作者，合作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院馮西橋教授。研究得到了國家自然科學(xué)基金（12192210、12192214、11921002、12302076）及中國博士后科學(xué)基金（2024M761630）資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.038