镁及其合金具有密度低、比强度和比刚度高等特点,在航空航天器和汽车等行业的轻量化设计中有巨大的应用前景。镁的塑性行为是由其内在的各种塑性变形机制以及它们之间的相互作用所决定的,基于物理机制的本构研究将有助于分析和预测材料的宏观力学行为。本文考虑了镁的滑移、孪晶和孪晶导致的晶格重取向等物理机制,建立了一种镁单晶材料的晶体塑性本构模型,并编写了相应的ABAQUS用户材料子程序UMAT,完成了本构模型的有限元实现。通过模拟镁单晶材料的平面应变压缩试验,并将模拟结果与试验结果对比,验证了所建立本构模型的有效性。在此基础上,本文进一步建立了一种温度与应变率相关的本构模型,研究了镁的温度与应变率敏感性。通过详细分析微观机制的演化,很好地解释了镁的宏观力学行为特征。本文的研究对于镁的塑性加工工艺优化和镁构件的结构设计具有重要的指导意义,主要工作及结论如下:1.基于传统的晶体塑性理论,考虑了滑移、孪晶和孪晶导致的晶格重取向等物理机制,建立了镁单晶塑性本构模型。该模型考虑了滑移-滑移、滑移-孪晶和孪晶-孪晶之间的相互强化,采用了不同的硬化法则分别描述拉伸孪晶和压缩孪晶的强化作用。另外,本文提供了一种考虑孪晶导致的晶格重取向的方法。2.根据所建立的本构模型,编写了ABAQUS用户材料子程序UMAT,进行了单晶镁平面应变压缩试验的数值模拟。模拟结果与文献中的试验结果符合得较好,表明了所建立本构模型的有效性。为了更好地理解镁的宏观力学行为特征,我们详细地分析了滑移与孪晶等微观机制的演化规律。研究结果表明:单晶镁的压缩行为表现出很强的各向异性,这是由于滑移系和孪晶系的开动与晶格取向密切相关;拉伸孪晶在某些取向下较容易开动并大量发生,当总的孪晶体积分数达到饱和值会导致晶格重取向;晶格重取向对后续的力学行为有很大影响。3.最后,本文进一步研究了镁的温度与应变率敏感性。为此我们考虑了不同滑移系和孪晶系对温度与应变率的不同相关性,并建立了类似JC模型形式的强化准则。根据文献中的试验报道,假设非基面滑移是温度与应变率相关的,压缩孪晶只在一定温度区间(≥150℃)才表现出温度相关。另外,本文中假设应变率敏感参数与温度成线性关系。该模型能够很好地捕捉镁在不同温度与应变率下的力学行为。研究结果表明:镁的流动应力随着应变率的升高而增大,随着温度的升高而减小;非基面滑移的活动量随着应变率的降低、温度的升高而增强;在镁单晶c轴受压情形,当温度超过150℃,压缩孪晶较易开动;温度越高,镁的应变率敏感性越显著。这与文献中的试验结果相一致。