賈勉 藍(lán)永庭 魏中順

摘? 要：鎂合金作為21世紀(jì)的綠色金屬材料，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域，但其絕對強(qiáng)度較低。為解決此問題，采用激光沖擊方法對AZ31鎂合金矩形試樣表面分別開展單面沖擊和雙面沖擊試驗(yàn)，通過調(diào)整激光能量得到了具有不同梯度層體積分?jǐn)?shù)的鎂合金試樣，再進(jìn)行單軸拉伸加載試驗(yàn)。在Johnson-Cook模型基礎(chǔ)上，提出一種塑性應(yīng)力-應(yīng)變自然對數(shù)二次多項(xiàng)式擬合的方法對單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)分析，并對不同梯度層體積分?jǐn)?shù)的AZ31鎂合金進(jìn)行預(yù)測。研究結(jié)果表明：激光沖擊后鎂合金表面生成晶粒梯度結(jié)構(gòu)層，可有效提高AZ31鎂合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，且雙面沖擊強(qiáng)化效果優(yōu)于單面沖擊;改進(jìn)后的模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，成功地再現(xiàn)了梯度結(jié)構(gòu)鎂合金應(yīng)變硬化增強(qiáng)效應(yīng);最后，擬合得出含梯度層體積分?jǐn)?shù)的改進(jìn)模型參數(shù)表達(dá)式，其預(yù)測結(jié)果驗(yàn)證了模型的合理性。

關(guān)鍵詞：AZ31鎂合金;梯度結(jié)構(gòu);激光沖擊;Johnson-Cook模型;二次多項(xiàng)式擬合

中圖分類號(hào)：TG146.2? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.03.015

0? ? 引言

鎂合金的密度低（1.8 g/cm3），具有減震性好、生物相容性佳、回收率高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天、電子通訊、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[2]。但是，鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，常見的滑移系只有3個(gè)，在室溫狀態(tài)下加工成型困難，且絕對強(qiáng)度較低[3]。

激光沖擊處理（laser shock processing，LSP）是一種新型的表面改性手段，利用強(qiáng)激光束輻射靶材表面，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，最終形成超強(qiáng)沖擊波向金屬內(nèi)部傳播[4]。當(dāng)沖擊波的峰值壓力大于靶材的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬表面發(fā)生劇烈的塑性變形，應(yīng)力狀態(tài)以及微觀結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生明顯的變化[4]。峰值壓力沿著靶材厚度方向不斷衰減，表層的塑性變形程度最嚴(yán)重，芯部幾乎不發(fā)生塑性變形，形成空間上的晶粒尺寸梯度變化。

光斑能量對沖擊效果的影響最大，光斑的大小與形狀、約束層和吸收層的厚度、光斑搭接率、沖擊次數(shù)等也會(huì)影響梯度層的厚度。文獻(xiàn)[5]選用工作頻率為5 Hz、波長為1 064 nm的高功率強(qiáng)激光磷酸鹽釹玻璃激光器，輸出激光的脈沖寬度為15 ns，激光束能量設(shè)置為10.2 J，選擇3 mm厚的水簾和0.1 mm厚的鋁箔分別作為約束層和吸收層，圓形光斑為直徑3 mm，搭接率控制在50%。該激光沖擊設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了AZ31B鎂合金的表面自納米化，沖擊前的鎂合金平均晶粒尺寸為17.5 μm，沖擊后的鎂合金表面平均晶粒尺寸為15.7 nm，梯度層厚度超過1 mm[5]。文獻(xiàn)[6]采用相同規(guī)格的激光器，選擇2 mm厚的水簾和0.12 mm厚的鋁箔分別作為約束層和吸收層，激光能量設(shè)置為3 J、5 J和7 J。在光斑能量為5 J的激光沖擊下，初始晶粒直徑500 μm的AZ91D鎂合金細(xì)化至50～80 nm，納米晶粒層厚度超過30 μm，整體梯度層厚度約0.6 mm。文獻(xiàn)[7]以AZ31鎂合金為研究對象，采用直徑3 mm、能量7 J的光斑沖擊表面，測得強(qiáng)化梯度層厚度約為0.8 mm。由此可見，通過調(diào)整光斑能量，可有效控制鎂合金表面梯度層的厚度。

本構(gòu)模型是一種用來反映材料應(yīng)力-應(yīng)變演化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，因此，找到合適的數(shù)學(xué)函數(shù)描述材料宏觀塑性流動(dòng)規(guī)律，對于研究外界激勵(lì)與物質(zhì)反饋激勵(lì)的定量關(guān)系至關(guān)重要[8-9]。目前，有2種較為常用的研究金屬材料宏觀變形機(jī)制的本構(gòu)模型，分別是Zerilli-Armstrong模型[10]和Johnson-Cook（J-C）模型[11]。其中，J-C模型綜合考慮了金屬材料在塑性變形過程中流動(dòng)應(yīng)變、應(yīng)變速率以及變形溫度三者的耦合，定量建立了流動(dòng)應(yīng)力大小與應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化、熱軟化之間的宏觀本構(gòu)關(guān)系[12]，可以成功地預(yù)測不同變形條件下金屬的塑性變形情況。在實(shí)際應(yīng)用中，研究者們通常會(huì)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對J-C模型進(jìn)行改進(jìn)，以提高模型的預(yù)測能力。金皓等[13]分別構(gòu)造了原始和改進(jìn)的J-C模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，較好地模擬了AZ80鎂合金的熱變形。劉暢等[14]以Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金為研究對象，對J-C模型的溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變耦合效應(yīng)作了部分改進(jìn)，最終預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均相對誤差為4.5%，相關(guān)度為0.994。李恒奎等[15]通過改進(jìn)J-C模型的應(yīng)變率項(xiàng)，系統(tǒng)地研究了5083P-0鋁合金在高應(yīng)變率下的力學(xué)行為，對比驗(yàn)證了模型的合理性。

雖然研究者們已經(jīng)在LSP后鎂合金的拉伸性能[16-20]、硬度[21]、耐磨性[22]、抗疲勞性[23]、耐腐蝕性[24]、生物相容性[25]等方面做了大量有價(jià)值的工作，但是關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)鎂合金本構(gòu)模擬的研究甚少，鮮有學(xué)者從梯度層的角度出發(fā)，找到梯度層體積分?jǐn)?shù)與鎂合金宏觀變形的規(guī)律。為此，本文以商用AZ31鎂合金為研究對象，采用不同的光斑能量在鎂合金表面誘導(dǎo)生成不同體積分?jǐn)?shù)的梯度層，開展室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，研究了梯度結(jié)構(gòu)鎂合金的強(qiáng)化效應(yīng)。基于不同梯度層體積分?jǐn)?shù)的鎂合金真應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用一種塑性應(yīng)力-應(yīng)變自然對數(shù)二次多項(xiàng)式擬合的方法對退化后的J-C模型進(jìn)行改進(jìn)，最后針對6種不同梯度層體積分?jǐn)?shù)的結(jié)構(gòu)鎂合金分別進(jìn)行預(yù)測，為合理描述梯度層體積分?jǐn)?shù)與鎂合金塑性變形之間的定量關(guān)系，以及進(jìn)一步利用激光沖擊技術(shù)提高鎂合金的強(qiáng)度提供了借鑒。

1? ? 試驗(yàn)材料及過程

1.1? ?試驗(yàn)材料

商用AZ31鎂合金的化學(xué)成分如表1所示。時(shí)效處理為：450 ℃處理1 h，置于空氣中自然冷卻。使用線切割機(jī)將直徑為25 mm的鎂合金擠壓棒加工成如圖1所示的待沖擊試樣，試樣表面采用金相砂紙逐級(jí)打磨光滑（砂紙精度由低至高分別為400#、600#、800#、1000#、1500#）。

1.2? ?激光沖擊處理

參照文獻(xiàn)[7]所實(shí)施的實(shí)驗(yàn)方法，采用搭接率50%、直徑3 mm的光斑分別對AZ31鎂合金試樣表面進(jìn)行單、雙面沖擊，如圖2所示。光斑能量設(shè)置為5 J、6 J、8 J，可獲得厚度為0.5 mm、0.8 mm和1.0 mm的梯度層。LSP前后AZ31鎂合金力學(xué)試樣表面宏觀樣貌對比如圖3所示，激光沖擊下鎂合金表面經(jīng)歷了劇烈的塑性變形，沿著厚度方向不斷衰減，進(jìn)而生成了加工硬化梯度層。LSP整體加工方案如表2所示，將梯度層厚度轉(zhuǎn)化為梯度層體積分?jǐn)?shù)，[梯度層體積分?jǐn)?shù)=]梯度層總厚度/標(biāo)距內(nèi)試樣厚度×100%，其中標(biāo)距內(nèi)試樣厚度為5 mm。

1.3? ?試驗(yàn)方法

使用型號(hào)為ETM105D的力學(xué)拉伸試驗(yàn)機(jī)，針對激光沖擊前后的AZ31鎂合金矩形力學(xué)試樣分別開展單軸拉伸加載試驗(yàn)，試樣示意圖如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)過程均在室溫狀態(tài)下進(jìn)行。恒定應(yīng)變速率設(shè)置為0.001/s，配合使用長度標(biāo)距為25 mm的引伸計(jì)，當(dāng)產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)取下引伸計(jì)，并記錄相對應(yīng)的應(yīng)力作為條件屈服應(yīng)力，隨后以相同的應(yīng)變速率拉伸直至試樣斷裂。

橫向截取小塊LSP后的AZ31鎂合金作為觀測樣品，使用金相砂紙將橫截面逐級(jí)打磨光滑，拋光后擦拭酒精清洗并吹干。最后，使用飛納臺(tái)式掃描電鏡（加速電壓為15 kV）觀察樣品橫截面形貌。

2? ? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

激光沖擊前后AZ31鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示?？傮w來看，無論是單面沖擊還是雙面沖擊，LSP均能有效提高AZ31鎂合金的屈服強(qiáng)度，且雙面沖擊的強(qiáng)化效果要優(yōu)于單面沖擊。初始AZ31鎂合金屈服強(qiáng)度為171.7 MPa，抗拉強(qiáng)度為261.6 MPa，LSP-20%（雙面）的AZ31鎂合金屈服強(qiáng)度高達(dá)229.5 MPa，上升了34.5%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到299.8 MPa，上升了14.5%，如表3所示。文獻(xiàn)[4]研究表明，經(jīng)LSP后，鎂合金表面產(chǎn)生方向隨機(jī)的等軸納米晶（50～80 nm），距離表面稍遠(yuǎn)的區(qū)域主要由位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)墻、位錯(cuò)壁、位錯(cuò)胞以及片層狀次納米晶（100～300 nm）構(gòu)成，隨后是細(xì)晶、粗晶結(jié)構(gòu)，形成了晶粒梯度結(jié)構(gòu)層。文獻(xiàn)[26]指出，晶粒梯度結(jié)構(gòu)層的形成使材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提升。

然而LSP后的鎂合金的均勻伸長率都存在不同程度的下降。初始AZ31鎂合金的均勻伸長率為18.4%，LSP-32%（雙面）的鎂合金均勻伸長率僅為3.3%，如表3所示。高強(qiáng)沖擊波在超短時(shí)間內(nèi)轟擊鎂合金表面，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象無法得到有效緩解，因而萌生大量微裂紋，如圖5（a）所示。微裂紋最大長度超過10 μm，如圖5（b）所示。在單軸拉伸加載條件下，微裂紋逐漸失穩(wěn)擴(kuò)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致鎂合金試樣提前斷裂。同時(shí)，梯度結(jié)構(gòu)鎂合金出現(xiàn)不規(guī)律伸長率變化的主要原因是：能量不穩(wěn)定的光斑在鎂合金表面產(chǎn)生程度不一的凹坑，表面粗糙度的改變加劇了應(yīng)變局域化進(jìn)程，成為材料發(fā)生頸縮斷裂的裂紋源[27]。

單面沖擊下AZ31鎂合金屈服強(qiáng)度與梯度層體積分?jǐn)?shù)成正比，而雙面沖擊下AZ31鎂合金屈服強(qiáng)度與梯度層體積分?jǐn)?shù)成反比，如表3所示。此外在相同的20%梯度層體積分?jǐn)?shù)下，雙面沖擊與單面沖擊的強(qiáng)度并不相同。這些現(xiàn)象說明激光單面沖擊與雙面沖擊的強(qiáng)化效果不完全一致，強(qiáng)度與梯度層體積分?jǐn)?shù)之間可能存在臨界值，過高的梯度層體積分?jǐn)?shù)會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用。

LSP前后AZ31鎂合金應(yīng)變硬化率曲線如圖6所示。初始AZ31鎂合金的應(yīng)變硬化率約為1 800 MPa，LSP后鎂合金的應(yīng)變硬化率普遍高于初始試樣，其中LSP-10%（單面）試樣的應(yīng)變硬化率最高，達(dá)到3 400 MPa，但隨著塑性變形的持續(xù)累積，鎂合金應(yīng)變硬化率逐漸下降，到達(dá)500 MPa時(shí)趨于平穩(wěn)。由此可見，在相同的變形區(qū)間內(nèi)，梯度結(jié)構(gòu)鎂合金的應(yīng)變硬化率比初始試樣衰減的更快，這與圖4中梯度結(jié)構(gòu)鎂合金強(qiáng)度上升、伸長率不足的現(xiàn)象基本一致。已有研究證實(shí)梯度結(jié)構(gòu)會(huì)帶來超高的應(yīng)變硬化率，引起應(yīng)變硬化增強(qiáng)現(xiàn)象，應(yīng)變硬化率的大小與晶粒尺寸梯度率密切相關(guān)[26]。同時(shí)，雙面沖擊的梯度結(jié)構(gòu)鎂合金應(yīng)變硬化率低于單面沖擊，主要原因是納米晶粒會(huì)降低梯度納米結(jié)構(gòu)材料的整體應(yīng)變硬化率，從而加速緊縮，導(dǎo)致材料過早斷裂[28]。

3? ? 應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)計(jì)算

3.1? ?Johnson-Cook模型模擬及改進(jìn)

J-C模型的整體表現(xiàn)形式為[12]：

[σ=（A+B（εpl）n）1+Clnεplε0（1?T?m）].? （1）

式中：[σ]、[A]分別為參考應(yīng)變率和參考溫度下的應(yīng)力、屈服強(qiáng)度;[B]為應(yīng)變硬化系數(shù);[εpl]為等效塑性應(yīng)變;[n]為應(yīng)變硬化指數(shù);[C]為應(yīng)變率的強(qiáng)化系數(shù);[εpl]為等效塑性應(yīng)變率;[ε0]為參考應(yīng)變率;[m]為熱軟化系數(shù)。[T?]為材料變形溫度[T]處于熔化溫度[TM]和相轉(zhuǎn)變溫度[TP]之間的權(quán)重系數(shù)，當(dāng)[T<TP]時(shí)，[T?=0];當(dāng)[TP<T<TM]時(shí)，[T?=T?TP/TM?TP];當(dāng)[T>TM]時(shí)，[T?=1]。

由于本次準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)在室溫狀態(tài)下進(jìn)行，不考慮應(yīng)變率項(xiàng)和溫度項(xiàng)對于材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，因此J-C模型可以退化為式（2）：

[σ=A+B（εpl）n]? . （2）

式中：[A]為試驗(yàn)中得到的屈服強(qiáng)度，[σ]為試驗(yàn)中得到的真應(yīng)力，[εpl]為試驗(yàn)中得到的塑性應(yīng)變，其大小為真應(yīng)變減去彈性應(yīng)變。

將式（2）經(jīng)過簡單變形轉(zhuǎn)化為式（3），做[lnσ?A]與[ lnεpl]的線性擬合，斜率為[n]，截距為[lnB]，即可得到應(yīng)變硬化指數(shù)[n]和應(yīng)變硬化系數(shù)[B]。

[lnσ?A=nlnεpl+lnB]. （3）

考慮到LSP后AZ31鎂合金[lnσ?A]和[lnεpl]之間的二次相關(guān)性，有必要對退化后的J-C模型做出改進(jìn)。假設(shè)改進(jìn)后[lnσ?A]和[lnεpl]滿足式（4），做[lnσ?A]與[ lnεpl]的二次多項(xiàng)式擬合，即可得到參數(shù)[X1]、[X2]、[X3]。

[lnσ?A=X1lnεpl2+X2lnεpl+X3].? （4）

改進(jìn)后的J-C模型表現(xiàn)形式為：

[σ=A+εplX1lnεplεplX2eX3]. （5）

不同梯度層體積分?jǐn)?shù)AZ31鎂合金線性擬合及二次多項(xiàng)式擬合如圖7所示，初始AZ31鎂合金[lnσ?A]和[lnεpl]線性相關(guān)程度最高，擬合系數(shù)R2為0.955 5，基本符合J-C模型。但LSP后AZ31鎂合金的[lnσ?A]和[lnεpl]之間表現(xiàn)出強(qiáng)非線性，其中LSP-10%（單面）的擬合系數(shù)R2僅為0.897 4，說明線性擬合的方法并不適用于描述梯度結(jié)構(gòu)鎂合金的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。改進(jìn)后的二次多項(xiàng)式方法精度明顯高于線性擬合，擬合系數(shù)R2均在0.99以上，如表4所示。

將表4所示的改進(jìn)前后J-C模型參數(shù)及試驗(yàn)中得到的塑性應(yīng)變分別代入式（2）和式（5），即可得到模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比圖，如圖8所示。通過比對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果可知，線性擬合得到的塑性應(yīng)力-應(yīng)變在小變形（約0.04）范圍內(nèi)低于試驗(yàn)結(jié)果，超過0.04的部分則高于試驗(yàn)值，均勻的應(yīng)變硬化率不能很好地解釋變形前期梯度結(jié)構(gòu)帶來的額外硬化。經(jīng)二次多項(xiàng)式擬合得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，成功地反映了梯度結(jié)構(gòu)鎂合金的應(yīng)變硬化增強(qiáng)現(xiàn)象。

3.2? ?基于改進(jìn)模型的預(yù)測

為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)模型的合理性與應(yīng)用性，分別對單、雙面沖擊下的4個(gè)參數(shù)A、X1、X2、X3進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其中參數(shù)A采用線性擬合，參數(shù)X1、X2、X3采用二次多項(xiàng)式擬合，如圖9所示。單面沖擊與雙面沖擊參數(shù)擬合的趨勢相反，再次證明2種沖擊方式對于梯度結(jié)構(gòu)鎂合金的強(qiáng)化效果并不完全相同，需要分開討論。根據(jù)參數(shù)擬合結(jié)果，引入梯度層體積分?jǐn)?shù)自變量w%，從而得到w與4個(gè)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，并整合為統(tǒng)一表達(dá)式，如表5所示。

分別將w =12、14、18代入單面沖擊的擬合公式，w =24、28、36代入雙面沖擊的擬合公式，結(jié)合式（5），預(yù)測得到梯度層體積分?jǐn)?shù)12%、14%、18%（單面）和24%、28%、36%（雙面）的AZ31鎂合金塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖10所示。預(yù)測趨勢與研究結(jié)論基本一致，梯度結(jié)構(gòu)可以有效提高鎂合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，且雙面沖擊強(qiáng)化效果要優(yōu)于單面沖擊，再一次驗(yàn)證了改進(jìn)模型的合理性。

4? ? 結(jié)論

調(diào)整光斑能量對AZ31鎂合金表面分別進(jìn)行單、雙面激光沖擊，然后開展準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)，得到不同梯度層體積分?jǐn)?shù)下的鎂合金真應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)改進(jìn)J-C模型，并進(jìn)一步預(yù)測了梯度層體積分?jǐn)?shù)與鎂合金塑性應(yīng)力-應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。相關(guān)研究結(jié)論如下：

1）經(jīng)激光沖擊誘導(dǎo)生成的晶粒尺寸梯度層可以提高AZ31鎂合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其中LSP-20%（雙面）條件下的強(qiáng)化效果最佳，屈服強(qiáng)度高達(dá)229.5 MPa，上升了34.5%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到299.8 MPa，上升了14.5%，雙面沖擊強(qiáng)化效果要優(yōu)于單面沖擊，強(qiáng)化效應(yīng)與梯度層體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。梯度結(jié)構(gòu)鎂合金均勻伸長率下降的主要原因是微裂紋的萌生和表面深淺不一的凹坑。

2）采用J-C模型，結(jié)合改進(jìn)后的二次多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行模擬，所得的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，成功地再現(xiàn)了梯度結(jié)構(gòu)鎂合金應(yīng)變硬化增強(qiáng)現(xiàn)象，較好地描述了梯度結(jié)構(gòu)鎂合金的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。

3）在改進(jìn)J-C模型的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)擬合，得到了梯度層體積分?jǐn)?shù)w%與A、X1、X2、X3等4個(gè)參數(shù)之間的函數(shù)表達(dá)式，并合理預(yù)測了具有不同梯度層體積分?jǐn)?shù)的AZ31鎂合金宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。

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The strengthening effect and stress-strain response analysis of AZ31 Mg alloys prepared by laser shock processing

JIA Mian1，LAN Yongting*2，WEI Zhongshun1

（1.School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545616， China; 2.School of Engineering and Technology， Guangxi University of Science and

Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： Magnesium alloy is widely used as the green metal material of the 21st century in transportation， aerospace and other fields， but its absolute strength is low. To solve this problem， firstly the single-sided and double-sided impact experiments were carried out on the surface of AZ31 Mg alloys rectangular samples using the laser shock processing method. The Mg alloys samples with different gradient layer volume fractions were obtained by adjusting the laser energy， and the uniaxial tensile loading experiments were carried out. Then， a plastic stress-strain natural logarithmic quadratic polynomial fitting method based on the Johnson-Cook model was proposed， the uniaxial tensile loading experimental stress-strain response data were analyzed. The research results showed that the grain size gradient structure induced by laser shock can effectively improve the yield strength and tensile strength of AZ31 Mg alloys. The strengthening effect of the double-sided impact is better than that of the single-sided impact. The improved simulation data are basically consistent with the experimental results， and the strain hardening enhancement effect of gradient Mg alloy is reproduced. Finally， the improved model parameter expression with gradient layer volume fraction was obtained by fitting， AZ31 Mg alloys with different gradient layer volume ratios were predicted， and the rationality of model was verified.

Key words： AZ31 Mg alloys; gradient structure; laser shock processing; Johnson-Cook model; quadratic polynomial fitting

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