镁合金具有密度低、比强度高和阻尼减震等优异性能，是实现结构轻量化和节能减排关键基础材料之一，对推动国家双碳战略具有不可替代的作用。然而，强各向异性是制约镁合金零件塑性成形的关键瓶颈问题，严重影响其核心零部件成形制造。近年来，研究人员在改善变形镁合金各向异性力学性能方面已经开展了大量工作，但是针对各向异性机理及本构关系尚缺乏系统描述。

近日，来自燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心的石宝东博士等人报道和总结了镁合金各向异性行为及本构模型研究进展。综述了变形镁合金在不同加载条件（包括单调加载、单轴循环加载、两步加载和多轴加载）下的各向异性行为及微观机理，从宏观和细观两种尺度分析了HCP金属各向异性本构关系，着重讨论了晶体塑性中孪晶模型的最新研究情况，最后分析了镁合金各向异性行为多尺度表征方法与建模思路，并基于集成计算科学展望了跨尺度建模研究变形镁合金各向异性行为的途径。该综述论文以题为“Anisotropy of wrought magnesium alloys: A focused overview”发表在镁合金领域顶刊《Journal of Magnesium and Alloys》(2020年影响因子：10.088，中科院一区)。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.03.006

由于HCP金属的低对称性，变形镁合金的力学行为表现出拉压非对称性和各向异性，具有明显的加载路径和取向相关性。尽管平面各向异性行为取决于变形镁合金织构分布，但是，其微观本质是镁合金中各变形机制临界分解剪应力(CRSS)的差异。沿特定加载方向，变形机制的开动可通过加载方向与晶粒c轴的角度判断。加载路径变化诱发的屈服面形状畸变归因于非均匀的位错结构和取向变化引起的各向异性硬化。与传统各向同性硬化和运动硬化模型不同，石博士等建立了加载路径相关的扭曲硬化模型以捕捉应变路径变化的作用。此外，均质各向异性硬化（HAH）模型也被进一步泛化，以描述镁合金等应变路径变化期间发生的各向异性行为。在细观晶体塑性模型方面，研究人员已经建立了各种孪生模型来预测力学响应和微观结构演化，如Kalidindi模型、主导孪晶再取向（PTR）模型、复合晶粒（CG）模型和孪晶-退孪晶（TDT）模型。原位实验表征与晶体塑性模型相结合的方法有望成为研究HCP金属微观结构各向异性起源的新发展方向。

表 1. 室温下镁合金不同变形机制CRSS

图1 不同加载方式下{10-12}孪生施密特因子分析

图2 AZ31镁合金加载路径相关的屈服面演化

图3 新型加载路径相关的扭曲硬化（distortional hardening）模型构成

图4 加载路径相关的扭曲硬化模型表征镁合金各向异性行为

综上，变形镁合金各向异性行为是其密排六方（HCP）晶体结构的结果，造成各变形机制的临界分解剪应力（CRSS）的差异，主要变形机制依赖于织构、晶粒尺寸、加载模式（拉伸、压缩、加载方向等），从而导致屈服强度和应变硬化响应的巨大差异。研究发现，各向异性行为无法在单一尺度上阐明。因此，多尺度模拟和原位实验将是未来研究工作的重要方向之一，以连接宏观各向异性行为和显微组织演化；其中核心工作是基于集成计算材料工程（ICME），实现本构模型从宏观到纳米尺度的桥接。

致谢：本工作得到了国家自然科学基金（51771166）、重庆市科技创新引导专项（cstc2020yszx-jcyjX0001）、河北省自然科学基金（E2019203452、E2021203011）等的支持和资助。

部分参考文献：

[1] Baodong Shi, Joern Mosler*, On the macroscopic description of yield surface evolution by means of distortional hardening models: Application to magnesium, International Journal of Plasticity, 2013, 44, 1-22.

[2] Baodong Shi, Alexander Bartels, Joern Mosler*, On the thermodynamically consistent modeling of distortional hardening: A novel generalized framework, International Journal of Plasticity, 2014, 63, 170-182.

[3] Baodong Shi*, Yan Peng, Fusheng Pan, A generalized thermodynamically consistent distortional hardening model for Mg alloys, International Journal of Plasticity, 2015, 74, 158-174.

[4] Baodong Shi*, Yan Peng, Chong Yang, Fusheng Pan, Renju Cheng, Qiuming Peng, Loading path dependent distortional hardening of Mg alloys: Experimental investigation and constitutive modeling, International Journal of Plasticity, 2017, 90, 76-95.

[5] Chong Yang, Guoguo Zhu, Hui Zhao, Yan Peng, Baodong Shi*, The roles of stress state and pre-straining on Swift effect for an extruded AZ31 Mg alloy, Journal of Magnesium and Alloys, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.08.003.