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论文概述

镁合金作为最轻的金属结构材料，现已广泛应用于汽车、航空航天等各类制造行业，并长期服役于循环载荷作用的环境下。镁及大多数镁合金都是密排六方晶体，因此，镁合金的塑性变形机制主要有位错滑移和孪生变形。挤压变形镁合金在挤压加工过程中会形成较强的基面织构，使得镁合金晶体的c轴与挤压方向垂直，当沿着镁合金板材的挤压方向进行压缩加载时，拉伸孪晶容易被激活，而在拉伸方向需要激活非基面滑移来协调塑性变形。因此，在不同塑性变形机制的作用下，镁合金在室温下存在明显的拉-压非对称性，镁合金也表现出与其他材料不同的棘轮变形（应力控制循环实验中产生的累积塑性变形）和疲劳行为。同时，棘轮行为对镁合金的疲劳寿命存在明显的影响，因此，进行镁合金单轴棘轮-疲劳交互作用的实验研究对于评估镁合金的构件服役安全性十分的重要。

最近，西南交通大学康国政教授团队在室温下对挤压变形AZ31镁合金进行了较为系统的单轴棘轮-疲劳交互作用的实验研究，揭示不同塑性变形机制作用下，AZ31镁合金的单轴棘轮行为和疲劳失效寿命的演化特征，并讨论平均应力、应力幅值以及应力率对镁合金单轴棘轮-疲劳交互作用的影响。研究结果表明，AZ31镁合金的全寿命棘轮行为和疲劳行为随平均应力、应力幅值和应力率的变化取决于主导塑性变形的机制；通过对比非对称应力控制与对称应变控制循环实验中的疲劳寿命，发现棘轮应变会产生附加损伤进而缩短镁合金的疲劳寿命，该实验研究为后续的材料本构关系和疲劳失效模型研究提供了实验基础。

本文讨论了AZ31镁合金室温下单调变形的拉-压不对称性，结果如图1所示。AZ31镁合金的拉伸屈服强度约为200 MPa，压缩屈服强度仅为70 MPa，其单调变形行为在室温下存在明显的拉-压非对称性。这是由于AZ31镁合金在单调压缩和拉伸变形过程中涉及到不同塑性变形机制的缘故，并且与挤压变形镁合金在挤压加工时形成的基面织构有关。

图1挤压AZ31镁合金的拉-压不对称性和显著的基面织构

重点研究了应力控制低周疲劳实验中，在不同塑性变形机制主导下AZ31挤压镁合金在全寿命过程中的棘轮行为，结果如图2所示。在应力循环实验中，AZ31挤压镁合金不同塑性变形机制的激活与给定的应力水平相关：当平均应力为负时，如图2a，塑性变形机制由孪生/解孪变形主导，因此其滞回环呈现出对称外凸状；当平均应力为正且较高时，如图2b，塑性变形机制仅由位错滑移主导，因此其滞回环呈现出对称的细长状；当平均应力为正且较低时，如图2c，塑性变形由三种变形机制共同主导，即压缩时发生孪生，而在后续的卸载和反向拉伸过程中交替发生解孪和位错滑移，因此在反向拉伸过程中呈现出不对称的S形曲线。在不同变形机制的作用下，AZ31挤压镁合金也表现出不同的棘轮行为，应力率对材料棘轮行为的影响也与主导塑性变形的机制有关。

图2挤压AZ31镁合金不同应力水平下的应力-应变响应：（a）平均应力为负；（b）平均应力为正且较高；（c）平均应力为正且较低

本研究还探索了棘轮变形和应力水平对AZ31挤压镁合金对疲劳寿命的影响，如图3所示。对比非对称应力控制与对称应变控制循环实验中得到的疲劳寿命可以发现，棘轮变形的产生导致镁合金材料疲劳寿命的缩短，如图3a。材料的疲劳寿命随应力幅值和平均应力绝对值的增大而缩短，但在滑移、孪生和解孪机理交互作用时疲劳寿命随平均应力的增大而先增大后减小，如图3b。此外，应力率对镁合金材料疲劳寿命的影响表现为应力率越低，疲劳寿命越短。

图3挤压镁合金的疲劳寿命及其影响因素

综上所述，本研究在室温下对挤压变形AZ31镁合金进行较为系统的单轴棘轮-疲劳交互作用实验研究，揭示了AZ31挤压镁合金不同于其他面心立方和体心立方结构金属的棘轮变形和疲劳失效寿命演化特征，并根据相关的物理机理进行解释，这为后续的材料本构关系和疲劳失效模型研究提供了坚实的实验基础，能够为镁合金材料的疲劳失效判定研究提供参考。

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文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第1期：

[1]Yu Lei,Hang Li,Yujie Liu,Ziyi Wang,Guozheng Kang*.Experimental study on uniaxial ratchetting-fatigue interaction of extruded AZ31 magnesium alloy with different plastic deformation mechanisms[J].Journal of Magnesium and Alloys,2023,11(1):379-391.

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中文摘要

通过在室温下对挤压AZ31镁合金进行一系列单轴应力控制低周疲劳实验研究，揭示不同塑性变形机制下AZ31镁合金单轴棘轮-疲劳交互作用的行为特征。实验中通过改变外加平均应力和应力幅值大小来调节不同塑性变形机制（即位错滑移和孪生/解孪机制）的作用，进而讨论平均应力、应力幅值和应力率对AZ31镁合金的全寿命棘轮行为和疲劳失效寿命的影响。研究发现，AZ31镁合金的全寿命棘轮行为和疲劳行为随平均应力、应力幅值和应力率的变化取决于主导塑性变形的机制。当塑性变形由滑移和孪生/解孪三者共同主导时，在正平均应力作用下也会产生压缩方向的棘轮变形，且在给定应力幅值下，材料的疲劳寿命随平均应力的增大先增大后减小。此外，不同塑性变形机制的作用下，应力率对镁合金的全寿命棘轮行为和疲劳行为的影响有明显的差异，均表现为应力率越低，疲劳寿命越短。通过对比非对称应力控制与对称应变控制循环实验中的疲劳寿命，发现棘轮应变会产生附加损伤进而缩短镁合金的疲劳寿命。

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Abstract

The uniaxial ratchetting-fatigue interaction of extruded AZ31 magnesium(Mg)alloy is investigated by uniaxial stress-controlled cyclic tests at room temperature and with addressing the roles of different plastic deformation mechanisms.Different stress levels are prescribed to reflect the cyclic plasticity of the alloy controlled by diverse deformation mechanisms(i.e.,dislocation slipping,deformation twinning and detwinning ones),and then the influences of stress level and stress rate on the ratchetting and fatigue life are discussed.The experimental results demonstrate that different evolution characteristics of whole-life ratchetting and fatigue life presented during cyclic tests with various mean stresses,stress amplitudes and stress rates are determined by the dominated plastic deformation mechanisms.It's worth noting that the ratchetting can occur in the compressive direction even in the cyclic tests with a positive(tensile)mean stress,and the fatigue life increases first and then decreases with the increase of mean stress on account of the interaction between dislocation slipping and twinning/detwinning mechanisms.Comparing the fatigue lives obtained in the asymmetric stress-controlled and symmetrical strain-controlled cycle tests,it is seen that the ratchetting deformation causes an additional damage,and then leads to a shortening of fatigue life.

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作者简介

第一作者/通讯作者简介：

雷宇（第一作者），西南交通大学博士研究生，主要研究方向为镁合金的疲劳行为。

康国政（通讯作者），博士/教授，西南交通大学党委常委、副校长，中组部“万人计划”科技创新领军人才，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者、德国“洪堡”学者、全国优秀教育工作者，享受国务院特殊政府津贴专家，现为中国力学学会常务理事、教育部力学专业教学指导委员会委员、四川省力学学会理事长、国际期刊《Int.J.Fatigue》共同主编、《Int.J.Fracture》领域编辑、《Int.J.Plasticity》等多个期刊编委。主要从事材料本构关系和疲劳与断裂方面的研究。发表学术论文350余篇，其中SCI论文280余篇，出版英文专著1部、中文专著3部、研究生教材3本。2014年以来每年入选Elsevier中国高被引学者榜单。