近日，西南交通大学康国政教授团队在塑性力学领域权威期刊《International Journal of Plasticity》发表题为“Temperature-dependent multiaxial ratchetting of cast AZ91 magnesium alloy: Experiments and rapid predictions”的研究成果。该论文第一作者为博士研究生胡冰晖，共同通讯作者为西南交通大学康国政教授与清华大学王子仪博士，合作者包括西南交通大学于超教授以及博士研究生赵嘉华。
随着结构轻量化需求日益增长，镁合金凭借低密度、高比刚度和高比强度等优点，在航空航天、汽车工业、轨道交通及生物医疗等领域展现出广阔的应用前景。其中，铸造镁合金具有生产周期短、装配成本低以及便于生产形状复杂的构件等优势，约占镁合金产品的90%。不同于具有强基面织构的挤压镁合金，铸造镁合金内部晶粒取向较为随机，因而呈现出和挤压镁合金不同的变形行为。在服役过程中，铸造镁合金构件通常会面临较高的温度并承受多轴循环载荷。在非对称应力控制的循环加载条件下，材料中会发生塑性应变的逐渐累积，即棘轮行为，棘轮行为会加速镁合金构件的损伤演化并降低其服役可靠性。因此，系统揭示铸造镁合金的多轴棘轮行为及相应的微观机制，并建立能够快速、可靠预测棘轮应变的模型，对于复杂加载条件下镁合金构件的工程服役可靠性具有重要意义。
基于上述分析，本研究首先通过开展一系列多轴循环加载实验，系统研究了铸造 AZ91 镁合金的多轴棘轮行为，揭示了其温度相关性和路径依赖性。实验结果（如图1所示）表明，在不同温度下，铸造镁合金的多轴棘轮行为均显著依赖于加载路径，在非比例多轴加载路径下，材料在轴向会表现出附加软化行为；随着温度增加，材料的多轴棘轮行为及非比例附加软化行为均更加显著。
图1 铸造AZ91镁合金在等频加载路径下的多轴棘轮行为： (a-b)温度相关性实验结果；(c-d)路径依赖性实验结果
考虑到镁合金构件（如汽车动力系统）在实际服役过程中往往同时承受来自不同载荷源的多轴循环加载，而这些载荷通常具有不同的频率，本研究进一步设置了轴向与扭转载荷频率不相等的非等频加载路径，首次揭示了铸造镁合金在非等频路径下的多轴棘轮行为及其演化特征。研究发现，与等频路径相比，非等频加载路径下材料呈现出独特的非对称应力-应变响应曲线和锯齿状棘轮应变演化特征，如图2所示。此外，本研究进一步结合主应力演化对称性及孪晶等微结构演化过程，对上述现象进行了机理解释。
图2 铸造AZ91镁合金在非等频加载路径下的多轴棘轮行为： (a)非等频加载路径示意图；(b)轴向与扭向加载频率比faxial:ftor=2:1；(c-d)轴向与扭向加载频率比faxial:ftor=1:2
基于上述实验现象及相应数据，本研究建立了用于预测铸造AZ91镁合金多轴棘轮应变及其演化趋势的半经验模型和机器学习模型。其中，半经验模型综合考虑了温度和加载路径非比例度等因素，能够较为合理地描述多轴棘轮应变的演化过程。在此基础上，进一步建立了机器学习模型，以实现对多轴棘轮应变更加精确的预测。与传统本构模型通常需要进行复杂的参数标定、建立内变量演化方程不同，本研究建立的两种模型为工程应用提供了一种更加高效的预测方法，可实现复杂多轴循环加载路径下镁合金棘轮应变的快速预测，为镁合金构件的结构安全评估、服役寿命预测及抗棘轮设计提供参考。
图3 棘轮应变预测结果：(a)半经验模型示意图；(b)机器学习模型结构；(c)半经验模型预测结果；(d)机器学习模型预测结果
本研究得到国家自然科学基金（12192210、12192214）、四川省科技计划（2024NSFSC0431）以及中国博士后科学基金（2024M761630）资助。
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https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104799
