變形鎂合金疲勞行為的研究范文

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《遼寧科技大學(xué)學(xué)報》2017年第4期

摘要:從疲勞循環(huán)變形響應(yīng)行為、疲勞壽命、疲勞裂紋萌生與擴展等方面，綜述了變形鎂合金疲勞行為的研究現(xiàn)狀，重點介紹了加載條件、環(huán)境、表面狀態(tài)等對變形鎂合金疲勞性能的影響，指出添加稀土元素，進行噴丸、表面滾壓處理和合理的熱處理可提高變形鎂合金的疲勞強度，延長疲勞壽命，并分析了各種方法的優(yōu)劣。對變形鎂合金疲勞研究的發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞:變形鎂合金;疲勞性能;循環(huán)變形;疲勞壽命

0引言

鎂合金具有密度小，比強度和比剛度高，鑄造性能、電磁屏蔽和減震性能好等特點，是當今工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用中增長速率最快的一種金屬材料［1］。與鑄造鎂合金相比，經(jīng)過擠壓、鍛造、軋制等塑性成形方法加工的變形鎂合金具有更高的強度和更好的延展性，可以滿足更多樣化結(jié)構(gòu)件的需求。鎂合金結(jié)構(gòu)件在服役過程中不可避免地承受循環(huán)載荷，發(fā)生疲勞損傷;疲勞損傷積累到一定程度后會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件發(fā)生疲勞斷裂。而由于其具有的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，變形鎂合金在擠壓或軋制等過程中會形成很強的基面織構(gòu)，導(dǎo)致力學(xué)性能的不對稱性［2］。這一不對稱性會引起不可逆的循環(huán)變形，進而對結(jié)構(gòu)件的疲勞性能產(chǎn)生不良影響。因此，基于安全性及可靠性要求，鎂合金的循環(huán)變形及疲勞性能研究顯得尤為重要。近年來，各國學(xué)者對變形鎂合金疲勞行為的研究較多，研究內(nèi)容主要集中在其低周疲勞行為、高周疲勞行為以及疲勞性能強化等方面，而對其疲勞損傷尤其是在腐蝕環(huán)境中的疲勞損傷、疲勞裂紋擴展機理與孿生-去孿生關(guān)系，以及壽命預(yù)測等的研究較為缺乏。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者對近年來變形鎂合金疲勞行為的研究現(xiàn)狀進行了綜述，并指出了后續(xù)研究的重點及方向。

1變形鎂合金的疲勞與斷裂

1．1循環(huán)加載的響應(yīng)行為

鎂合金獨特的晶體結(jié)構(gòu)使其在室溫下的主要變形方式為基面滑移和拉伸孿生。孿生具有極性，只有沿c軸方向拉伸時才能啟動［2］。變形鎂合金在擠壓或軋制等過程中會形成很強的織構(gòu)，大部分晶粒的c軸垂直于擠壓或軋制方向。由此可見:對于承受拉-壓載荷的變形鎂合金在沿擠壓或軋制方向拉伸時，孿生難以開動，表現(xiàn)出較高的屈服強度;而沿擠壓或軋制方向壓縮時，有利于孿生，此時孿生決定屈服強度。因此，鎂合金的壓縮屈服強度低于拉伸屈服強度，即拉壓屈服強度不對稱。在高應(yīng)變幅循環(huán)加載時，變形鎂合金的主要塑性變形機制為孿生-去孿生，而低應(yīng)變幅下的主要為位錯滑移［3］。近年來，變形鎂合金在低周疲勞過程中的循環(huán)變形行為研究較多，研究人員常借助應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線、應(yīng)力幅-循環(huán)周次曲線、塑性應(yīng)變幅-循環(huán)周次曲線及平均應(yīng)力-循環(huán)周次曲線等來分析循環(huán)加載過程中的微觀變形機制［4-5］。變形鎂合金在循環(huán)加載過程中會表現(xiàn)出循環(huán)硬化、循環(huán)軟化及循環(huán)穩(wěn)定等3種行為，如軋制AZ31鎂合金［6］及擠壓ZA811M鎂合金［7］在不同的應(yīng)變幅下均表現(xiàn)出循環(huán)硬化行為，NZ30K鎂合金在低應(yīng)變幅下表現(xiàn)出循環(huán)軟化行為而在高應(yīng)變幅時表現(xiàn)出循環(huán)硬化行為［8］，GW123K鎂合金［9］及GW103K鎂合金［10］則表現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定行為。對于這3種行為，PARK等［11］認為循環(huán)硬化是由位錯密度增加，以及位錯與位錯之間、位錯與沉淀相間的交互作用引起的，循環(huán)軟化則是由位錯的湮沒引起的。BEGUM等［12］指出，循環(huán)硬化速率的提高與殘余孿晶數(shù)量的增加有關(guān)，殘余孿晶會阻礙位錯滑移，導(dǎo)致位錯塞積。MIRZA等［8］則認為:導(dǎo)致循環(huán)硬化的因素除了位錯間的交互作用外，還有孿生作用;孿生變形后，取向的變化阻礙位錯滑移，產(chǎn)生位錯塞積，從而促進了循環(huán)硬化。YIN等［13］在研究擠壓AZ31鎂合金的循環(huán)變形行為時發(fā)現(xiàn)，循環(huán)硬化在拉、壓方向并不對稱，并認為該現(xiàn)象與兩種因素有關(guān):一是壓縮過程中的主要變形機制為孿生，拉伸方向為滑移方向，而孿晶的運動阻力比滑移的要小;二是壓縮方向存在循環(huán)蠕變。

1．2疲勞壽命的計算公式

常規(guī)工程材料的疲勞壽命遵循Basquin和Coffin-Manson公式，然而變形鎂合金的變形機制更為復(fù)雜，在一般疲勞條件下存在著平均應(yīng)力。在考慮到平均應(yīng)力的條件下，MATSUZUKI等［14］繪出了恒塑性應(yīng)變幅條件下AZ31鎂合金的Coffin-Manson曲線，結(jié)果表明塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命呈現(xiàn)出兩段線性關(guān)系，不同的變形模式導(dǎo)致了不同塑性應(yīng)變幅區(qū)的線性關(guān)系。HASEGAWA等［15］發(fā)現(xiàn):在應(yīng)力控制模式下，AZ31鎂合金的疲勞壽命可以采用Coffin-Manson公式描述，但是由于拉壓的不對稱性，在應(yīng)變控制模式下，鎂合金的疲勞壽命偏離了Coffin-Manson關(guān)系;用Morrow模型、SWT模型、Lorenzo模型分別對AZ31鎂合金的疲勞壽命進行修正后，建立了AZ31鎂合金在應(yīng)力/應(yīng)變控制模式下的疲勞壽命計算公式。YU等［16］在對擠壓AZ61A鎂合金研究時發(fā)現(xiàn)，在不同應(yīng)變比加載條件下，由原SWT模型及修正后的SWT模型得到的疲勞壽命與試驗結(jié)果均能很好地吻合。近期，有研究人員開始選用基本保持恒定的能量作為疲勞損傷參數(shù)來表征鎂合金的疲勞壽命［6-7，17］。PARK等［6］計算了軋制AZ31鎂合金不同方向的疲勞應(yīng)變能參數(shù)。圖中ΔWp為塑性應(yīng)變能密度(即每個循環(huán)周期塑性應(yīng)變能)，ΔWt為總應(yīng)變能密度(即每個循環(huán)周期塑性應(yīng)變能與拉伸彈性應(yīng)變能之和)，RD為軋制方向，ND為軋面的法向。由圖1可以發(fā)現(xiàn):沿RD和ND加載的試樣，其塑性應(yīng)變能密度與疲勞壽命均呈線性關(guān)系，但計算疲勞壽命所用參數(shù)不同;總應(yīng)變能(考慮平均應(yīng)力效應(yīng))密度也與疲勞壽命呈線性關(guān)系，并且不需要區(qū)分疲勞方向，可以用統(tǒng)一的參數(shù)計算鎂合金的疲勞壽命。總體來說，有關(guān)鎂合金疲勞壽命預(yù)測的研究較少，涉及的鎂合金種類也不多，且研究不夠系統(tǒng)和深入，尤其是在非對稱載荷等復(fù)雜工況下的疲勞壽命預(yù)測研究較為欠缺。

1．3疲勞裂紋萌生與擴展行為

變形鎂合金的疲勞裂紋通常萌生于材料表面的滑移帶、析出相及孿晶帶處［18-19］。裂紋擴展是通過小裂紋的合并而進行的，擴展路徑為穿晶或沿晶，斷口形貌兼有層片狀組織及韌窩特征［20］。光滑試樣在進行高周疲勞試驗時，裂紋萌生階段占整個疲勞壽命的大部分，因此很多研究著眼于裂紋萌生行為，以及疲勞過程中的變形機制等。也有研究認為，由于實際構(gòu)件不可避免地存在缺陷，而這些缺陷會成為裂紋的起源，因此裂紋萌生階段所占比例較小，而裂紋擴展階段占比較大。BEGUM等［12］從3個方面論述了孿晶在疲勞裂紋萌生過程中的作用，并指出對于有特定織構(gòu)的變形鎂合金，可通過細化晶粒，改變變形模式以減少不可逆的循環(huán)變形，從而提高其疲勞性能;在較高應(yīng)變速率下，裂紋萌生階段較短，裂紋擴展階段更長，導(dǎo)致其疲勞壽命延長。目前，對裂紋擴展行為的研究多集中在材料組織、加載方式以及環(huán)境條件對裂紋擴展行為的影響方面，已獲得了一些試驗性結(jié)論，并逐漸發(fā)展了復(fù)雜工況下的擴展模型。然而這些模型主要是為了擬合相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)而提出的，對復(fù)雜加載條件及其他材料的適用性不是很好。

2變形鎂合金疲勞性能的影響因素

2．1加載條件

2．1．1加載頻率、應(yīng)變速率

關(guān)于應(yīng)變速率對疲勞行為影響的研究并不多，研究結(jié)果也不盡相同。DUAN等［21］指出，高的應(yīng)變速率更有助于促進孿生-去孿生行為，抑制位錯滑移，從而降低循環(huán)硬化速率并延長疲勞壽命。WANG等［22］則發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率越高，循環(huán)硬化速率、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力越高，疲勞壽命越短。武艷軍［23］指出:在較低的應(yīng)變幅下，提高加載頻率可以延長鎂合金疲勞壽命，而在較高的應(yīng)變幅下，頻率對疲勞壽命的影響不大;疲勞壽命的提高是因為在低應(yīng)變幅、高頻率下，孿晶的數(shù)量增多。

2．1．2應(yīng)變比、應(yīng)力比

對變形鎂合金進行疲勞研究時多采用完全反向的拉-壓載荷進行加載，但近期也有采用非對稱載荷進行加載的報道［12，16，24-25］。BEGUM等［12］研究了應(yīng)變幅為0．4%時，不同應(yīng)變比(－2～5)對擠壓AZ31和AM30鎂合金疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)較低的應(yīng)變比易產(chǎn)生較強的循環(huán)硬化。YU等［16］研究了AZ61鎂合金在應(yīng)變比為0，－1，－∞時的疲勞行為，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變比的降低，循環(huán)硬化加強，應(yīng)力幅、平均應(yīng)力降低，疲勞壽命延長。XIONG等［24］研究時同樣發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變比降低，AZ31B鎂合金的疲勞壽命延長，不同應(yīng)變條件下得到的應(yīng)變-疲勞壽命曲線中都存在一個非常明顯的拐點，該點為變形機制轉(zhuǎn)變點。SHIOZAWA等［26］研究發(fā)現(xiàn)，在高周疲勞試驗過程中，當應(yīng)力比為0時，AZ61F鎂合金、AZ80F鎂合金和時效態(tài)擠壓AZ80鎂合金的應(yīng)力-疲勞壽命曲線均存在明顯的疲勞極限，而應(yīng)力比為－1和－1．5時，應(yīng)力-疲勞壽命曲線的中間部分均出現(xiàn)了平臺區(qū)。LIN等［27］在對軋制AZ91鎂合金進行低周疲勞試驗時發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力比(－0．4～0．4)的增大，該鎂合金吸收的總應(yīng)變能減小，因而疲勞性能提高。

2．1．3加載方向

對于軸向加載的變形鎂合金，沿試樣的不同方向加載時，其疲勞特性也有很大差異［28-32］。ISHIHARA等［28］發(fā)現(xiàn)，沿擠壓方向加載的試樣相對于沿垂直于擠壓方向加載的，表現(xiàn)出了更高的疲勞強度和更長的疲勞壽命，這是因為沿擠壓方向的棒狀結(jié)構(gòu)降低了疲勞裂紋擴展速率，提高了裂紋擴展的門檻值，而垂直于擠壓方向加載的試樣，其裂紋萌生位置不存在棒狀結(jié)構(gòu)。LV等［29］在研究AZ31鎂合金時發(fā)現(xiàn):沿垂直于軋制方向加載的試樣，無論是在應(yīng)力控制還是在應(yīng)變控制下，其疲勞壽命都要高于沿軋制方向加載試樣的，這是因為前者的強度和伸長率都要高于后者的。PARK等［30］則認為，與沿軋制方向壓縮的相比，沿垂直于軋制方向拉伸時的孿生應(yīng)力更低，產(chǎn)生的塑性應(yīng)變所造成的疲勞損傷更大，因而試樣的疲勞壽命更短。

2．1．4應(yīng)力幅、應(yīng)變幅

應(yīng)力及應(yīng)變幅的增大將會導(dǎo)致鎂合金疲勞性能的降低［22，33-34］。WANG等［22］發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變幅增大，AZ80鎂合金的應(yīng)力幅增大，循環(huán)硬化速率也增大。這主要是因為:當應(yīng)變幅較高時，除位錯促進循環(huán)硬化外，殘余孿晶也會加速循環(huán)硬化過程;在低應(yīng)變幅下，正的平均應(yīng)力隨應(yīng)變幅增大而降低，而在高應(yīng)變幅下，正的平均應(yīng)力先減小后增大。CHEN等［34］在對熱軋AZ91鎂合金進行低周疲勞試驗時發(fā)現(xiàn)，當應(yīng)力幅增大時，殘余孿晶所產(chǎn)生的不可逆塑性變形量增大，由此引起的疲勞損傷及晶格畸變增加，導(dǎo)致了鎂合金疲勞性能的下降。

2．2環(huán)境

環(huán)境對鎂合金的疲勞性能有著顯著影響［35-39］。當處于腐蝕環(huán)境，如在NaCl溶液中時，鎂合金的疲勞壽命明顯縮短;疲勞壽命隨合金狀態(tài)、成分，以及腐蝕溶液濃度等的變化而變化。UEMATSU等［38］研究了AZ80、AZ61、AM60等3種鎂合金在實驗室空氣及蒸餾水兩種環(huán)境中的腐蝕疲勞性能，發(fā)現(xiàn):在實驗室空氣環(huán)境中，AZ80鎂合金因鋁元素含量較高，在低應(yīng)力幅下其裂紋主要萌生于循環(huán)滑移變形處，因而具有最高的疲勞強度;在腐蝕環(huán)境中，3種合金的疲勞強度非常接近。NAN等［39］研究了AZ31鎂合金在質(zhì)量分數(shù)為3%的NaCl溶液中的疲勞行為，發(fā)現(xiàn):在腐蝕環(huán)境中，鎂合金的疲勞壽命明顯縮短;鎂合金的腐蝕疲勞分為兩個階段，一是腐蝕坑的增長及裂紋在此處的萌生，二是疲勞裂紋的擴展;當應(yīng)力幅較低時，在整個疲勞壽命周期中，有70%～80%的時間都在進行腐蝕坑的增長。溫度的高低對鎂合金疲勞性能也有著不同的影響。SAJURI等［40］在研究中發(fā)現(xiàn)，擠壓AZ61鎂合金在20℃和50℃時的疲勞性能沒有明顯變化，但當溫度升高到150℃時，疲勞強度顯著降低。ZENG等［41］研究了擠壓AZ61鎂合金在60℃和120℃時的疲勞裂紋擴展行為，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，疲勞裂紋擴展速率增大，斷裂模式由穿晶與沿晶混合斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔眩瑫r顯微組織中出現(xiàn)了位錯滑移帶，發(fā)生了變形孿晶及晶粒的長大。GRINBERG等［42］研究時則發(fā)現(xiàn)，當溫度從20℃降低到－120℃時，MA12鎂合金的疲勞壽命延長，疲勞裂紋尖端塑性區(qū)尺寸減小，疲勞裂紋擴展速率降低。

2．3表面狀態(tài)

變形鎂合金的缺口敏感性很大，尤其是在較高應(yīng)力幅下，疲勞性能對表面“缺口”(如表面劃痕)尤為敏感。如果試樣表面較為粗糙，在循環(huán)變形過程中，一些表面缺陷成為疲勞裂紋源，導(dǎo)致疲勞強度的降低。因此，鎂合金的疲勞試驗所用試樣一般都需進行表面拋光處理。拋光處理可以降低表面粗糙度，減少表面缺陷的數(shù)量，降低疲勞缺口敏感性，從而提高鎂合金的疲勞強度和疲勞壽命。然而在應(yīng)用中，實際結(jié)構(gòu)件的表面粗糙度不可能達到疲勞試驗對試樣的精度要求。目前，關(guān)于表面狀態(tài)對疲勞性能影響的研究多集中在鋼及鈦合金材料上，而在鎂合金材料上的研究鮮有報道。

3提高變形鎂合金疲勞性能的方法

3．1添加稀土元素

大量研究均表明，稀土元素如釓、釔、鈰及釹等的添加會弱化變形鎂合金中的織構(gòu)，使大部分晶粒的取向更為自由隨意，進而改善變形鎂合金拉伸和壓縮屈服強度的不對稱性，提高力學(xué)性能［43］。近十年來，對含稀土鎂合金循環(huán)變形及疲勞性能的研究報道很多［10，44-48］。ZHU等［44］發(fā)現(xiàn)在相同的外加應(yīng)變幅下，GW102K稀土鎂合金的疲勞壽命要顯著高于AZ31鎂合金的，兩種合金的總應(yīng)變幅與疲勞壽命在試驗范圍內(nèi)均呈近似線性關(guān)系，如圖2所示。雖然高稀土含量能夠顯著提高鎂合金的疲勞性能，但成本較高。MOKDAD等［10］研究了低稀土釹含量的ZEK100稀土鎂合金的疲勞性能，并與不含稀土的AZ31、AM30鎂合金進行了對比，發(fā)現(xiàn)ZEK100稀土鎂合金兼具較高的強度與較好的延性。

3．2熱處理

熱處理能使鎂合金中析出沉淀相，從而有效提高鎂合金的力學(xué)性能，改善其疲勞性能。ADAMS等［49］在對熱軋WE43鎂合金進行超高周疲勞試驗時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)T5(204℃×48h)、欠時效及過時效處理后，鎂合金在循環(huán)109周次時的疲勞強度相差較大，分別為110，65，65MPa，但平均裂紋擴展速率變化不大。DONG等［50］對Mg-10Gd-3Y鎂合金在5種熱處理狀態(tài)下的疲勞性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)時效處理可提高合金的疲勞強度和疲勞壽命，且峰時效的強化效果最好，疲勞強度提高了10%，但T4及T6熱處理后的疲勞強度及壽命比初始擠壓態(tài)合金的更差，疲勞強度降低了27%。LIU等［51］研究發(fā)現(xiàn)，ZK60鎂合金在經(jīng)T5處理后疲勞強度提高了7%，但是經(jīng)應(yīng)力幅較大的低周疲勞時，熱處理對疲勞強度的提高效果不是很明顯。MATSUZUKI等［14］對比了擠壓態(tài)AZ31鎂合金及其經(jīng)350℃×1h空冷熱處理后的疲勞行為，發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為及應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線并無太大區(qū)別，前者的疲勞壽命要略高于后者的。總體來說，優(yōu)化的時效處理工藝可提高鎂合金的疲勞性能，但提高的幅度不是很大。

3．3表面形變強化

表面形變強化是指在工件近表面引入殘余壓應(yīng)力來阻礙裂紋形核及擴展，從而提高工件疲勞強度、延長疲勞壽命的一種方法。噴丸和表面滾壓是兩種常用的表面形變強化方法，能有效提高鎂合金的疲勞強度。ZHANG等［52］研究發(fā)現(xiàn)，噴丸處理可以使AZ80變形鎂合金缺口試樣的疲勞強度從45MPa提高到110MPa，提高約144%，并且對缺口試樣疲勞強度提高的程度要高于對光滑試樣的。但也有研究［53］發(fā)現(xiàn)，噴丸處理不能改善鎂合金在NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為。表面滾壓處理可將AZ80鎂合金的高周疲勞強度從100MPa提高到210MPa，提高約110%，疲勞壽命也明顯延長［54］。表面滾壓處理也能顯著改善變形鎂合金在NaCl溶液中的疲勞性能［55］。

4結(jié)束語

早期有關(guān)變形鎂合金疲勞行為的研究主要集中在其宏觀循環(huán)變形行為、疲勞壽命及疲勞斷裂行為等方面，并且僅僅是一些試驗性的結(jié)論。隨著鎂合金應(yīng)用范圍的擴大，近幾年研究的重點轉(zhuǎn)向鎂合金疲勞變形的微觀機制、疲勞變形誘發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)演化及其與鎂合金疲勞行為之間的關(guān)系、孿晶在鎂合金疲勞變形及斷裂過程中的作用等方面。盡管有關(guān)變形鎂合金疲勞行為的研究很多，涉及的內(nèi)容也比較廣泛，然而其研究理論還不夠成熟、完善。疲勞壽命預(yù)測模型的完善、非對稱循環(huán)變形行為的控制機制、疲勞裂紋擴展機制與孿生-去孿生的關(guān)系研究，腐蝕疲勞行為研究，以及已有研究成果的工程化應(yīng)用等，是未來變形鎂合金疲勞研究發(fā)展的重要方向。

參考文獻:

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［2］丁文江，靳麗，吳文祥，等．變形鎂合金中的織構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計［J］．中國有色金屬學(xué)報，2011，21(10):2371-2381.

作者：宋曉村1；趙東清1；2；周吉學(xué)1；3；楊院生4 單位：1．山東省科學(xué)院新材料研究所，2．山東省輕質(zhì)高強金屬材料省級重點實驗室(籌)，3．山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，4．中國科學(xué)院金屬研究所