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变形镁合金疲劳行为的研究

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《辽宁科技大学学报》2017年第4期

摘要:从疲劳循环变形响应行为、疲劳寿命、疲劳裂纹萌生与扩展等方面,综述了变形镁合金疲劳行为的研究现状,重点介绍了加载条件、环境、表面状态等对变形镁合金疲劳性能的影响,指出添加稀土元素,进行喷丸、表面滚压处理和合理的热处理可提高变形镁合金的疲劳强度,延长疲劳寿命,并分析了各种方法的优劣。对变形镁合金疲劳研究的发展方向进行了展望。

关键词:变形镁合金;疲劳性能;循环变形;疲劳寿命

0引言

镁合金具有密度小,比强度和比刚度高,铸造性能、电磁屏蔽和减震性能好等特点,是当今工业产品应用中增长速率最快的一种金属材料[1]。与铸造镁合金相比,经过挤压、锻造、轧制等塑性成形方法加工的变形镁合金具有更高的强度和更好的延展性,可以满足更多样化结构件的需求。镁合金结构件在服役过程中不可避免地承受循环载荷,发生疲劳损伤;疲劳损伤积累到一定程度后会导致结构件发生疲劳断裂。而由于其具有的密排六方晶体结构,变形镁合金在挤压或轧制等过程中会形成很强的基面织构,导致力学性能的不对称性[2]。这一不对称性会引起不可逆的循环变形,进而对结构件的疲劳性能产生不良影响。因此,基于安全性及可靠性要求,镁合金的循环变形及疲劳性能研究显得尤为重要。近年来,各国学者对变形镁合金疲劳行为的研究较多,研究内容主要集中在其低周疲劳行为、高周疲劳行为以及疲劳性能强化等方面,而对其疲劳损伤尤其是在腐蚀环境中的疲劳损伤、疲劳裂纹扩展机理与孪生-去孪生关系,以及寿命预测等的研究较为缺乏。为了给相关研究人员提供参考,作者对近年来变形镁合金疲劳行为的研究现状进行了综述,并指出了后续研究的重点及方向。

1变形镁合金的疲劳与断裂

1.1循环加载的响应行为

镁合金独特的晶体结构使其在室温下的主要变形方式为基面滑移和拉伸孪生。孪生具有极性,只有沿c轴方向拉伸时才能启动[2]。变形镁合金在挤压或轧制等过程中会形成很强的织构,大部分晶粒的c轴垂直于挤压或轧制方向。由此可见:对于承受拉-压载荷的变形镁合金在沿挤压或轧制方向拉伸时,孪生难以开动,表现出较高的屈服强度;而沿挤压或轧制方向压缩时,有利于孪生,此时孪生决定屈服强度。因此,镁合金的压缩屈服强度低于拉伸屈服强度,即拉压屈服强度不对称。在高应变幅循环加载时,变形镁合金的主要塑性变形机制为孪生-去孪生,而低应变幅下的主要为位错滑移[3]。近年来,变形镁合金在低周疲劳过程中的循环变形行为研究较多,研究人员常借助应力-应变滞回曲线、应力幅-循环周次曲线、塑性应变幅-循环周次曲线及平均应力-循环周次曲线等来分析循环加载过程中的微观变形机制[4-5]。变形镁合金在循环加载过程中会表现出循环硬化、循环软化及循环稳定等3种行为,如轧制AZ31镁合金[6]及挤压ZA811M镁合金[7]在不同的应变幅下均表现出循环硬化行为,NZ30K镁合金在低应变幅下表现出循环软化行为而在高应变幅时表现出循环硬化行为[8],GW123K镁合金[9]及GW103K镁合金[10]则表现出循环稳定行为。对于这3种行为,PARK等[11]认为循环硬化是由位错密度增加,以及位错与位错之间、位错与沉淀相间的交互作用引起的,循环软化则是由位错的湮没引起的。BEGUM等[12]指出,循环硬化速率的提高与残余孪晶数量的增加有关,残余孪晶会阻碍位错滑移,导致位错塞积。MIRZA等[8]则认为:导致循环硬化的因素除了位错间的交互作用外,还有孪生作用;孪生变形后,取向的变化阻碍位错滑移,产生位错塞积,从而促进了循环硬化。YIN等[13]在研究挤压AZ31镁合金的循环变形行为时发现,循环硬化在拉、压方向并不对称,并认为该现象与两种因素有关:一是压缩过程中的主要变形机制为孪生,拉伸方向为滑移方向,而孪晶的运动阻力比滑移的要小;二是压缩方向存在循环蠕变。

1.2疲劳寿命的计算公式

常规工程材料的疲劳寿命遵循Basquin和Coffin-Manson公式,然而变形镁合金的变形机制更为复杂,在一般疲劳条件下存在着平均应力。在考虑到平均应力的条件下,MATSUZUKI等[14]绘出了恒塑性应变幅条件下AZ31镁合金的Coffin-Manson曲线,结果表明塑性应变幅与疲劳寿命呈现出两段线性关系,不同的变形模式导致了不同塑性应变幅区的线性关系。HASEGAWA等[15]发现:在应力控制模式下,AZ31镁合金的疲劳寿命可以采用Coffin-Manson公式描述,但是由于拉压的不对称性,在应变控制模式下,镁合金的疲劳寿命偏离了Coffin-Manson关系;用Morrow模型、SWT模型、Lorenzo模型分别对AZ31镁合金的疲劳寿命进行修正后,建立了AZ31镁合金在应力/应变控制模式下的疲劳寿命计算公式。YU等[16]在对挤压AZ61A镁合金研究时发现,在不同应变比加载条件下,由原SWT模型及修正后的SWT模型得到的疲劳寿命与试验结果均能很好地吻合。近期,有研究人员开始选用基本保持恒定的能量作为疲劳损伤参数来表征镁合金的疲劳寿命[6-7,17]。PARK等[6]计算了轧制AZ31镁合金不同方向的疲劳应变能参数。图中ΔWp为塑性应变能密度(即每个循环周期塑性应变能),ΔWt为总应变能密度(即每个循环周期塑性应变能与拉伸弹性应变能之和),RD为轧制方向,ND为轧面的法向。由图1可以发现:沿RD和ND加载的试样,其塑性应变能密度与疲劳寿命均呈线性关系,但计算疲劳寿命所用参数不同;总应变能(考虑平均应力效应)密度也与疲劳寿命呈线性关系,并且不需要区分疲劳方向,可以用统一的参数计算镁合金的疲劳寿命。总体来说,有关镁合金疲劳寿命预测的研究较少,涉及的镁合金种类也不多,且研究不够系统和深入,尤其是在非对称载荷等复杂工况下的疲劳寿命预测研究较为欠缺。

1.3疲劳裂纹萌生与扩展行为

变形镁合金的疲劳裂纹通常萌生于材料表面的滑移带、析出相及孪晶带处[18-19]。裂纹扩展是通过小裂纹的合并而进行的,扩展路径为穿晶或沿晶,断口形貌兼有层片状组织及韧窝特征[20]。光滑试样在进行高周疲劳试验时,裂纹萌生阶段占整个疲劳寿命的大部分,因此很多研究着眼于裂纹萌生行为,以及疲劳过程中的变形机制等。也有研究认为,由于实际构件不可避免地存在缺陷,而这些缺陷会成为裂纹的起源,因此裂纹萌生阶段所占比例较小,而裂纹扩展阶段占比较大。BEGUM等[12]从3个方面论述了孪晶在疲劳裂纹萌生过程中的作用,并指出对于有特定织构的变形镁合金,可通过细化晶粒,改变变形模式以减少不可逆的循环变形,从而提高其疲劳性能;在较高应变速率下,裂纹萌生阶段较短,裂纹扩展阶段更长,导致其疲劳寿命延长。目前,对裂纹扩展行为的研究多集中在材料组织、加载方式以及环境条件对裂纹扩展行为的影响方面,已获得了一些试验性结论,并逐渐发展了复杂工况下的扩展模型。然而这些模型主要是为了拟合相应的试验数据而提出的,对复杂加载条件及其他材料的适用性不是很好。

2变形镁合金疲劳性能的影响因素

2.1加载条件

2.1.1加载频率、应变速率

关于应变速率对疲劳行为影响的研究并不多,研究结果也不尽相同。DUAN等[21]指出,高的应变速率更有助于促进孪生-去孪生行为,抑制位错滑移,从而降低循环硬化速率并延长疲劳寿命。WANG等[22]则发现应变速率越高,循环硬化速率、应力幅和平均应力越高,疲劳寿命越短。武艳军[23]指出:在较低的应变幅下,提高加载频率可以延长镁合金疲劳寿命,而在较高的应变幅下,频率对疲劳寿命的影响不大;疲劳寿命的提高是因为在低应变幅、高频率下,孪晶的数量增多。

2.1.2应变比、应力比

对变形镁合金进行疲劳研究时多采用完全反向的拉-压载荷进行加载,但近期也有采用非对称载荷进行加载的报道[12,16,24-25]。BEGUM等[12]研究了应变幅为0.4%时,不同应变比(-2~5)对挤压AZ31和AM30镁合金疲劳行为的影响,发现较低的应变比易产生较强的循环硬化。YU等[16]研究了AZ61镁合金在应变比为0,-1,-∞时的疲劳行为,发现随着应变比的降低,循环硬化加强,应力幅、平均应力降低,疲劳寿命延长。XIONG等[24]研究时同样发现,随应变比降低,AZ31B镁合金的疲劳寿命延长,不同应变条件下得到的应变-疲劳寿命曲线中都存在一个非常明显的拐点,该点为变形机制转变点。SHIOZAWA等[26]研究发现,在高周疲劳试验过程中,当应力比为0时,AZ61F镁合金、AZ80F镁合金和时效态挤压AZ80镁合金的应力-疲劳寿命曲线均存在明显的疲劳极限,而应力比为-1和-1.5时,应力-疲劳寿命曲线的中间部分均出现了平台区。LIN等[27]在对轧制AZ91镁合金进行低周疲劳试验时发现,随着应力比(-0.4~0.4)的增大,该镁合金吸收的总应变能减小,因而疲劳性能提高。

2.1.3加载方向

对于轴向加载的变形镁合金,沿试样的不同方向加载时,其疲劳特性也有很大差异[28-32]。ISHIHARA等[28]发现,沿挤压方向加载的试样相对于沿垂直于挤压方向加载的,表现出了更高的疲劳强度和更长的疲劳寿命,这是因为沿挤压方向的棒状结构降低了疲劳裂纹扩展速率,提高了裂纹扩展的门槛值,而垂直于挤压方向加载的试样,其裂纹萌生位置不存在棒状结构。LV等[29]在研究AZ31镁合金时发现:沿垂直于轧制方向加载的试样,无论是在应力控制还是在应变控制下,其疲劳寿命都要高于沿轧制方向加载试样的,这是因为前者的强度和伸长率都要高于后者的。PARK等[30]则认为,与沿轧制方向压缩的相比,沿垂直于轧制方向拉伸时的孪生应力更低,产生的塑性应变所造成的疲劳损伤更大,因而试样的疲劳寿命更短。

2.1.4应力幅、应变幅

应力及应变幅的增大将会导致镁合金疲劳性能的降低[22,33-34]。WANG等[22]发现,随应变幅增大,AZ80镁合金的应力幅增大,循环硬化速率也增大。这主要是因为:当应变幅较高时,除位错促进循环硬化外,残余孪晶也会加速循环硬化过程;在低应变幅下,正的平均应力随应变幅增大而降低,而在高应变幅下,正的平均应力先减小后增大。CHEN等[34]在对热轧AZ91镁合金进行低周疲劳试验时发现,当应力幅增大时,残余孪晶所产生的不可逆塑性变形量增大,由此引起的疲劳损伤及晶格畸变增加,导致了镁合金疲劳性能的下降。

2.2环境

环境对镁合金的疲劳性能有着显著影响[35-39]。当处于腐蚀环境,如在NaCl溶液中时,镁合金的疲劳寿命明显缩短;疲劳寿命随合金状态、成分,以及腐蚀溶液浓度等的变化而变化。UEMATSU等[38]研究了AZ80、AZ61、AM60等3种镁合金在实验室空气及蒸馏水两种环境中的腐蚀疲劳性能,发现:在实验室空气环境中,AZ80镁合金因铝元素含量较高,在低应力幅下其裂纹主要萌生于循环滑移变形处,因而具有最高的疲劳强度;在腐蚀环境中,3种合金的疲劳强度非常接近。NAN等[39]研究了AZ31镁合金在质量分数为3%的NaCl溶液中的疲劳行为,发现:在腐蚀环境中,镁合金的疲劳寿命明显缩短;镁合金的腐蚀疲劳分为两个阶段,一是腐蚀坑的增长及裂纹在此处的萌生,二是疲劳裂纹的扩展;当应力幅较低时,在整个疲劳寿命周期中,有70%~80%的时间都在进行腐蚀坑的增长。温度的高低对镁合金疲劳性能也有着不同的影响。SAJURI等[40]在研究中发现,挤压AZ61镁合金在20℃和50℃时的疲劳性能没有明显变化,但当温度升高到150℃时,疲劳强度显著降低。ZENG等[41]研究了挤压AZ61镁合金在60℃和120℃时的疲劳裂纹扩展行为,结果表明,随着温度的升高,疲劳裂纹扩展速率增大,断裂模式由穿晶与沿晶混合断裂转变为穿晶断裂,同时显微组织中出现了位错滑移带,发生了变形孪晶及晶粒的长大。GRINBERG等[42]研究时则发现,当温度从20℃降低到-120℃时,MA12镁合金的疲劳寿命延长,疲劳裂纹尖端塑性区尺寸减小,疲劳裂纹扩展速率降低。

2.3表面状态

变形镁合金的缺口敏感性很大,尤其是在较高应力幅下,疲劳性能对表面“缺口”(如表面划痕)尤为敏感。如果试样表面较为粗糙,在循环变形过程中,一些表面缺陷成为疲劳裂纹源,导致疲劳强度的降低。因此,镁合金的疲劳试验所用试样一般都需进行表面抛光处理。抛光处理可以降低表面粗糙度,减少表面缺陷的数量,降低疲劳缺口敏感性,从而提高镁合金的疲劳强度和疲劳寿命。然而在应用中,实际结构件的表面粗糙度不可能达到疲劳试验对试样的精度要求。目前,关于表面状态对疲劳性能影响的研究多集中在钢及钛合金材料上,而在镁合金材料上的研究鲜有报道。

3提高变形镁合金疲劳性能的方法

3.1添加稀土元素

大量研究均表明,稀土元素如钆、钇、铈及钕等的添加会弱化变形镁合金中的织构,使大部分晶粒的取向更为自由随意,进而改善变形镁合金拉伸和压缩屈服强度的不对称性,提高力学性能[43]。近十年来,对含稀土镁合金循环变形及疲劳性能的研究报道很多[10,44-48]。ZHU等[44]发现在相同的外加应变幅下,GW102K稀土镁合金的疲劳寿命要显著高于AZ31镁合金的,两种合金的总应变幅与疲劳寿命在试验范围内均呈近似线性关系,如图2所示。虽然高稀土含量能够显著提高镁合金的疲劳性能,但成本较高。MOKDAD等[10]研究了低稀土钕含量的ZEK100稀土镁合金的疲劳性能,并与不含稀土的AZ31、AM30镁合金进行了对比,发现ZEK100稀土镁合金兼具较高的强度与较好的延性。

3.2热处理

热处理能使镁合金中析出沉淀相,从而有效提高镁合金的力学性能,改善其疲劳性能。ADAMS等[49]在对热轧WE43镁合金进行超高周疲劳试验时发现,经T5(204℃×48h)、欠时效及过时效处理后,镁合金在循环109周次时的疲劳强度相差较大,分别为110,65,65MPa,但平均裂纹扩展速率变化不大。DONG等[50]对Mg-10Gd-3Y镁合金在5种热处理状态下的疲劳性能进行了对比,发现时效处理可提高合金的疲劳强度和疲劳寿命,且峰时效的强化效果最好,疲劳强度提高了10%,但T4及T6热处理后的疲劳强度及寿命比初始挤压态合金的更差,疲劳强度降低了27%。LIU等[51]研究发现,ZK60镁合金在经T5处理后疲劳强度提高了7%,但是经应力幅较大的低周疲劳时,热处理对疲劳强度的提高效果不是很明显。MATSUZUKI等[14]对比了挤压态AZ31镁合金及其经350℃×1h空冷热处理后的疲劳行为,发现两种状态合金的循环应力响应行为及应力-应变滞回曲线并无太大区别,前者的疲劳寿命要略高于后者的。总体来说,优化的时效处理工艺可提高镁合金的疲劳性能,但提高的幅度不是很大。

3.3表面形变强化

表面形变强化是指在工件近表面引入残余压应力来阻碍裂纹形核及扩展,从而提高工件疲劳强度、延长疲劳寿命的一种方法。喷丸和表面滚压是两种常用的表面形变强化方法,能有效提高镁合金的疲劳强度。ZHANG等[52]研究发现,喷丸处理可以使AZ80变形镁合金缺口试样的疲劳强度从45MPa提高到110MPa,提高约144%,并且对缺口试样疲劳强度提高的程度要高于对光滑试样的。但也有研究[53]发现,喷丸处理不能改善镁合金在NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为。表面滚压处理可将AZ80镁合金的高周疲劳强度从100MPa提高到210MPa,提高约110%,疲劳寿命也明显延长[54]。表面滚压处理也能显著改善变形镁合金在NaCl溶液中的疲劳性能[55]。

4结束语

早期有关变形镁合金疲劳行为的研究主要集中在其宏观循环变形行为、疲劳寿命及疲劳断裂行为等方面,并且仅仅是一些试验性的结论。随着镁合金应用范围的扩大,近几年研究的重点转向镁合金疲劳变形的微观机制、疲劳变形诱发的微观结构演化及其与镁合金疲劳行为之间的关系、孪晶在镁合金疲劳变形及断裂过程中的作用等方面。尽管有关变形镁合金疲劳行为的研究很多,涉及的内容也比较广泛,然而其研究理论还不够成熟、完善。疲劳寿命预测模型的完善、非对称循环变形行为的控制机制、疲劳裂纹扩展机制与孪生-去孪生的关系研究,腐蚀疲劳行为研究,以及已有研究成果的工程化应用等,是未来变形镁合金疲劳研究发展的重要方向。

参考文献:

[1]阎峰云,张玉海.镁合金的发展及其应用[J].现代制造技术与装备,2007(4):13-15.

[2]丁文江,靳丽,吴文祥,等.变形镁合金中的织构及其优化设计[J].中国有色金属学报,2011,21(10):2371-2381.

作者:宋晓村1;赵东清1;2;周吉学1;3;杨院生4 单位:1.山东省科学院新材料研究所,2.山东省轻质高强金属材料省级重点实验室(筹),3.山东省汽车轻量化镁合金材料工程技术研究中心,4.中国科学院金属研究所

辽宁科技大学学报责任编辑:张雨    阅读:人次