（材料加工工程专业论文）挤压变形az81镁合金的疲劳变形及断裂行为.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 作为一种轻质金属结构材料，镁合金在汽车工业中的应用越来越广泛，如何安全使 用镁合金业已受到人们的普遍关注。疲劳是各种工程构件服役期间的主要失效形式之 一，对于镁合金结构件亦不例外，因此，研究镁合金的疲劳变形和断裂行为不仅具有理 论价值，而且也具有一定的工程实用价值。本文主要针对不同加工处理状态的挤压变形 a z 8 1 镁合金的应变疲劳行为进行了较为系统的研究，以期为此种变形镁合金的抗疲劳 设计和合理使用提供可靠的理论依据。 疲劳试验结果表明，在本试验采用的所有外加总应变幅下，不同加工处理状态的挤 压交形a z 8 1 镁合金均表现为循环应变硬化直至最终断裂，其中固溶处理和时效处理可 导致挤压变形a z 8 l 镁合金在疲劳变形期间的循环应力幅有所降低；在o 6 5 一1 5 的外 加总应变幅范围，固溶处理和固溶+ 时效处理均可有效地提高挤压变形a z 8 l 镁合金的 应变疲劳寿命，而在高的或较低的外加总应变幅下，时效处理亦可提高挤压变形a z 8 l 镁合金的应变疲劳寿命，但在中等的外加总应变幅下，时效处理则缩短挤压变形a z 8 l 镁合金的应变疲劳寿命；不同加工处理状态的挤压变形a z 8 l 镁合金的弹性应变幅、塑 性应变幅与疲劳断裂时的载荷反向周次之间的关系可分别用b 邪q u i i l 和c o 胁小t 啪 公式来描述，其拉伸滞后能的理论计算值与应变疲劳寿命之间里线性关系，且可以利用 这种线性关系预测挤压变形a z 8 l 镁合金的应变疲劳寿命；挤压态、时效态以及固溶+ 时 效态的挤压变形a z 8 l 镁合金的循环应力一应变曲线为单斜率直线，而固溶态的挤压变 形a z 8 1 镁合金的循环应力一应变曲线则呈现双斜率行为。 疲劳断口形貌分析结果表明，在总应变控制的疲劳加载条件下，不同加工处理状态 的挤压变形a z 8 1 镁合金的疲劳裂纹均是以穿晶方式萌生于试样表面，并以穿晶方式扩 展，而且在疲劳裂纹扩展区里现解理断裂特征。 关键词；镁合金，循环应力响应，疲劳寿命，疲劳断裂 挤压变形a z s l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 f a t i g u ed e f o 仰a t i o na n d f r a c t u r eb e h a v i o ro f e x t r u d e da z 8 1m g a 1 l o y a b s t r a c t a sal i g h t w c i g h t 蚰m 吐a lm 砷e r i a l ，m a g n e s i 啪a l l o y sw i l lg e tw i d e l ya p p h e di n 锄墩唧m i v e 讪d l l s 仃y nh 勰r e c e i v c dm u c hm o c 讲i c e m i n gh o wt 0m i l i z cm a 四e s i u ma l l o y s i na 翰f ea n dd r e a t i v ew a y f a t i g u ei sam a i nf h i l l 鹏细mo fv a r i o i 塔曲m c t i l 疆lc o m p 跚嘲1 船 d l l r i n g 哪嘲洳f o rm o m 瓤妒e s i 啪a i l o yc 0 衄p m 舳t s ，也es 黜c a 辩i sa 重慨 0 b v i 8 l y ，t h c 面，酬g a l i o nc 0 嘶gf a t i g b e h a v i o r0 fm a g s i 啪a l l o y si so fb o t h 硼a d e i i i i c 龃d 肿c t i c a ls i g n i f i 翻n c e h it h i si n _ v e s t i g a d o n t h es 由吼i n - c o n t l 白d g 弛f b r m a c i o na n d 缸u m eb e 蛐ro fe x 仃i l d e da z 8 lm a 朗e s i 唧a i l o y s 砸t hd i 丘酹e m 弘髓s i n gs t 曲峪髓l l b 嘲i l l v 部t i g g t c di l l 硎盯t op m v i d e af 蹦a b l e 出删c a lf o 珊i d 鲥o n f o rb o t l l 觚g u e 蝣i s t 锄td e s i g n 孤dm 嬲硼a b l eu s a g eo f t h i sw 阳u g h tm a 窖皿船i 啪a l l o y t h er i l l 乜o f 筋g 钯粥蝌髓lt h 毗珊1 d c ra l lt d t a i 鼬阻i l l 删i t i l d e su 辩di i lt l l i s i n v e s t i g 砒i o n t l l ea h o y ss u b j e c t e dt od i 鼎溉tp l 口c 船s i n ga n dn 翰n n c n t 洲b “c y c l i cs t r a i n h a r d 雠i n g t i l l f m a l 纳m b 0 也s o l i ds o l l n i 慨锄咖粕da g i i l g n 呦n 饥t 砸l lr 聊l t i na d f e a 靶i nc y c l i cs t 瞄s 锄p l i 砌ef 研a 【n i l d e da z 8 lm a 粤他s i u ma l l o y a tl h o 靶o t a i 蛐m j n a m i t i l d 船瑚g i n g 丘啪o 6 5 t o1 5 b o m l i d l l n i o n 仃e ；舳e n t 觚d l l n i 蚰p l 璐a g i n g 臼朗姐c n tc a ne 饪b c t i v c l yi n c 陀蹈et h e 蛐r a i nf a t i g u eu f eo fa 钮1 l d e da z 8 1a l l o y a g i i l g 廿朗蜘1 e mc 趾a l c i ：l l l 撇t h e 蛐陷i nf a ：i i g u el i f co fa 【h 删a z 8 la l l o ya te i t h e rl l i g h 盯 l o w e rt o t a l 曲随n 锄叩l i t i l d 幅，b md e c r e a 1 h es 仃a i n 麟g u el i f eo ft h ea l l o y f o r 血u d e d a z 8 1a i l o y sw i md i 矗咖tp i 烈冷s s i n g 或咖鼢，t h e 佗l 撕。璐b 卿旧e ne i 硎c 鼬r a i n 锄p l i t i l d e ， p l a s t i cs 昀j n 锄p l i t i l d ea l l dr e v c r s a l st of h i l u r cc 锄b e 聆s p e 脱i v e i yd e s c r i b c db yb a s q i l i na n d c o m n m 锄ne q u 砒i s ma d d 硒o n al i n e 缸把l 撕o nb c t w 嘲lc a i c l l l a l e dt e l 皓i i eh y s t e i s i s 伽瞄g y a i l ds 砌n 伽i g l i f e l l a s n o 钯d 锄d 咖b e 啦l c d t op r c d i c t t h es 订a i n 蒯g l i 懈 o f 能缸1 l d c da z 8 la i l o y sw 抽m 1 1 f b d e mp r o c s i i l gs 雠u s 鼯b e t 、 e e nc y c l i cs 觚榔卸叩h t i l i d e a n dp i a g 如s 廿a _ i n 锄叩i i t i l d c ，as m g 皓s i o p eb e 嘶i o r 啪b c 加t e d 南ra 擘吒嚣缸1 i d e da 2 葛l 棚o y a n d 麟虮l d c da z 8 la i l o y ss u b j o 咖e dt 0a g i n g 觚d i m i p l 璐a g i 】昭锨l 融m e n 趣删l ea 伽o i s 娜eb c h 翮衙伽b co 的e f v e d 斯e x 虮删a z 8 la l l o y 鞠场砌e dt os 0 1 i ds 0 1 u 矗o n 在芑a h n e n t 一一 沈阳工业大学硕士学位论文 t h eo b s e a l i o 璐矗习c c t l 鹏鲫曲o f 铋g i l c ds p | 耐m e 璐t e v e a lt b a l 斯c 眦l e d a z 8 la l l o y sw i t l id i f f e 撒l tp i d s s i l l gs t a t u 艇焉t h ef h 虹g u ec r a c k si 1 1 i t i a t ei na 仃龇l s 掣粕l l l 盯 m o d ea tm es 眦f a c 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结合生成沉淀物进入渣 中，从而有效地提高压铸镁合金的耐蚀性；z n 影响镁合金的铸造性能，适量的z n 与适 量的舢搭配可显著改善压铸镁合金的压铸性能；s i 在压铸镁合金中通过与m g 形成分 布在晶界上的汉字形金属问化合物相m 髓s i 对晶界起钉扎作用，进而提高合金的室温强 度和高温蠕变强度【2 1 。常用的压铸镁合金主要有三个系列；a z ( m g 捌z n ) 系、a m ( m g 测舶1 ) 系和a s ( m g a l 锄) 系。a z 系合金主要包括a z 6 1 a z 7 l 和a z 9 1 系列 的合金，其中a z 9 l 合金兼有良好的铸造性能和力学性能，是目前应用最广泛的压铸镁 合金，可用于压铸形状复杂的薄壁件。a m 系的主要合金为舢v 1 5 0 和a m 6 0 ，与a z 9 1 合金相比，a m 系合金由于含铝量较低，使合金中含铝化合物相的析出量有所减少，故 该系合金的塑性和韧性较高，强度则相对较低。常用的a s 系合金主要有a s 4 l a 、a s 4 1 ) 和a s 2 l ，其中a s 4 l a 合金在1 7 5 0 c 时韵蠕变强度显著高于a z 9 t 和舳腼o 合金，而 a s 4 1 比a s 4 l a 合金的纯度高，也具有优良的耐盐雾腐蚀性能，a s 2 1 合金具有更高 的高温蠕变强度，但由于含铝量低使其铸造性能差，故应用较少。 与铸造工艺生产的铸态镁合金相比，变形镁合金更具有发展前景与潜力，通过变形 可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过合金组织的控制和热 处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度、更好的延展性以及更多样化的力 挤压变形a z 8 l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 学性能，从而满足更多结构件的需要。常见的商用变形镁合金主要包括m g - a i 、m g - z n 、 m g m n 、m g - t h 、m g l i 系等，表1 1 中列出了一些常见变形镁合金的成分及其性能。 在变形镁合金中值得注意的是m g l i 合金，它是迄今为止最轻的金属结构材料，其在共 晶成分范围可表现出极其优异的变形能力和超塑性，其中最典型的乙a 1 4 l a 合金以体心 立方结构的d 固溶体为基体，密度为1 3 5 刨咖蚰3 ，抗拉强度为1 3 0m p a ，屈服强度为1 0 3 m p a ，延伸率为1 2 ，杨氏模量为4 2 7g p a ，已经用于航空领域中【4 】。 表1 1 常见商用变形镁合金成分及性能p l t 曲1 1c o m p o s m o n sa n dp r o p e 蹦o f s 啪ec o m m e 佗瑚w m u g b tm a g s i 呦a l l o y s 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 对于变形镁合金而言，有两个重要特点对产品的最终性能有很大影响：一是由于镁 合金具有密排六方结构，因此变形产品的择优取向对产品最终弹性模量影响不大；另一 个特点是变形镁合金的压缩屈服强度低于其拉伸屈服强度( a 。m 概n = o 5 加7 ) ，因此，提 高镁合金材料的压缩屈服强度具有十分重要的实际意义。 镁合金又可以依据是否含有锆分为含锆和不含锆两大类。其中含锆的镁合金主要 有：m g - 窈，z r 、m g r e z r 、m 鲫1 z r 、m g - a g z r 等系列，不含锆的镁合金主要有m g 舢、 m g m n 、m g z n 三大系列。 1 2 镁合金的特点及其应用 纯镁的密度为1 7 4g ，c r n 3 ，常见镁合金的密度从1 3 1 9g c m 3 不等【5 1 。在目前已获得 工程应用的金属结构材料中，镁合金的密度是最低的，仅为铝合金的2 3 ，钢的l ，4 。镁 的弹性模量e 为4 5 g p a ，切变模量g 为1 7 g p a ，比弹性模量e p 为2 5 g p a 锄沁，均小 于铝( 相应值分别为7 lg p a 、2 6g p a 、2 7g p 扣c m 3 毽) 。与其它金属材料以及工程塑料相 比，镁合金具有很高的比强度和比刚度嘲。此外，镁合金具有优良的阻尼减震性能、高 的尺寸稳定性、高的热导率、优良的电磁屏蔽性能和优良的机械加工性能，而且镁合金 的低熔点、低动力学粘度、低比热容、低相交潜热以及与铁的亲和力小等特点使其具有 熔化耗能少、充型速度快、凝固速度快、实际压铸周期短、模具使用寿命长等优势，极 适合于采用现代化压铸技术进行成形加工。同时地球上的镁资源充足，镁合金产品可以 回收利用，所有这些优点使镁合金在近年来得到了长足的发展，成为了2 1 世纪重要的 商用轻质金属材料。 在汽车工业中，镁合金的应用在最近十年来得到了很大程度的发展。石油危机的发 生对汽车工业节省能耗提出了更高的要求。使得汽车制造厂商不得不通过降低汽车自重 达到减少汽油消耗的目的；同时，使用镁合金零部件可降低汽车启动和行驶重量，使汽 车驾驶起来更灵活舒适，具有更好的加速和减速性能。因此，大量的镁合金汽车零部件 被生产出来替代钢和铝合金零部件1 7 - 1 3 1 。德国大众汽车公司是最早在轿车上大规模应用 镁合金的汽车公司，曾在其“甲壳虫”车上用掉3 8 万吨镁合金，后来镁合金的用量有 所下降f 。但最近却出现了转机，各汽车制造公司纷纷用镁合金生产轿车零部件，如美 国的福特公司、通用公司和克莱斯勒三大汽车制造公司已经采用镁合金制造离合器壳 挤压变形a z 8 1 镁合金的疲劳变形及断裂行为 体、转向柱架、进气支管及照明夹持器等汽车零部件：与1 9 9 2 年相比，1 9 9 6 年上述汽 车公司在汽车上采用镁合金零件的数量增加了一倍，福特公司单车采用了3 0 个镁合金 铸件，通用公司采用了4 5 个，克莱斯勒公司采用了2 0 个；2 0 0 0 年，美国福特公司在每 台轿车上已使用1 0 3l 【g 镁合金，轿车重量降低了4 5 ，这是一个十分可观的数量。 电子工业是当今发展最为迅速的行业， 术的发展，各类数字化电子产品不断出现， 也是镁合金的新兴应用领域。由于数字化技 电子器件高度集成化和小型化，出现了大量 便携式电子器材，如手提电话，便携式电脑和小型摄录机等。电子工业中镁合金的增长 需求缘于镁合金具有重量轻、刚度高以及良好的薄壁铸造性能等方面的优点，同时其兼 有导热性好、热稳定性高、电磁屏蔽性能好、阻尼性能好等特性，这是电子行业将目光 投向镁合金的重要原因。以往，便携式电脑生产商如东芝公司为了改善塑料外壳的性能， 通过充填氧化镁或采用铝合金生产，这显然是无法与镁合金铸造外壳相比。国际商用机 器公司经过多年的努力，在1 9 9 l 1 9 9 5 五年间已采用镁压铸合金压铸了七种便携式电脑 外壳：1 9 9 7 年，松下公司上市的以镁合金作为外壳材料的c f 2 5 和c f 2 5 m a r k 型便携 式电脑十分畅销，而n e ) ( t 型电脑机壳上原先的a b s 塑料件改为镁合金压铸件后，尺寸 精度、刚度和散热性都得到明显改善；1 9 9 7 年索尼公司成功地研制了世界上第一台数 字摄像集成系统v n 己并投放市场，这套系统适用于户外摄像，外壳采用a z 9 1 d 镁合金 热室压铸，结构紧凑、强度高并且手感好，此种壳体一共有5 个铸造组件，包括主框架、 机械室和磁带室等：另外，美国芝加哥w l l i t em e t a lc 勰矗n g 公司用a z 9 l 镁合金生产的 雷达定位器壳体压铸件，重量与原先的塑料壳体相等，而其剐性、强度和耐冲击性都得 到了极大的改善【1 5 阍。 在移动通讯方面，目前使用塑料壳体的移动电话质量不高。为了解决这一问题，有 的移动电话在塑料壳中增加了金属衬垫，以达到抗干扰的目的。而将镁合金用于制造移 动电话外壳即可完全懈决这一难题，使通讯过程中的电磁波只通过天线接收和发送，减 少了电磁波的损失，提高移动电话的通讯质量，同时还能减少电磁波对人体大脑的伤害。 此外，采用镁合金外壳，可以其提高刚度和强度，确保其不易摔坏，满足了轻巧、美观， 实用的要求。 一一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 镁合金的疲劳变形行为 所谓疲劳是指材料在交变载荷和应变的长期作用下由于累积损伤而引起的断裂现 象。材料的疲劳性能一般是在实验室中通过对光滑或缺口试样疲劳试验进行评估的，而 材料的疲劳试验通常是在应变或应力控制模式下进行的，并可分别获得循环应力响应曲 线、8 _ n 曲线、s - n 曲线等。 与具有立方结构的材料相比，具有六方结构的材料的塑性变形方式要复杂得多。具 有密排六方结构的镁合金中，在室温下位错的运动主要是沿着基面( o 0 0 1 ) 和 方 向的滑移，而高温下位错更易沿着棱锥面 l o t l 和棱柱面 1 0 t o 上的 晶向滑 移；密排六方结构材料的另外一种非基面塑性变形方式是沿着 1 0 t 2 、 l o t l 、 l l 互2 以及 1 1 乏1 面的孪生，其中 l o t 2 面的孪生在镁合金中最为常见【1 删。孪生是镁合金在 单向拉伸或压缩变形过程中的一种重要的变形方式，但也曾有镁合金在循环变形期间以 孪生方式发生塑性变形的文献报道【2 1 2 2 】。 循环应力随着疲劳周次的变化即循环应力响应是材料低周疲劳过程的一个重要特 征。循环应力响应曲线是通过测量总应变幅控制的低周疲劳试验期间的应力幅而获得 的，它可反映材料所承受的应力过程并给出与材料的循环稳定性相关的必要信息，而全 反向应变循环期间材料内部组织结构的稳定性及其在材料整体范围内对塑性应变的固 有分配能力则是制约材料的循环应力响应行为的两个重要因素脚l 。疲劳变形的初始阶段 是所谓的无裂纹循环变形阶段，此时位错密度增加，微观尺度的塑性变形导致各种位错 结构的形成。在室温下进行疲劳变形时。镁合金中的位错主要是沿着( 0 0 0 1 ) 基面运动， 因此在镁合金的疲劳变形期间几乎不会形成复杂的位错结构。位错之间以及位错与其它 结构单元之问的交互作用会对材料的宏观性能也就是硬化和软化行为产生影响。由于材 料在无裂纹疲劳变形阶段的循环应力响应行为与原始组织密切相关，因此为了评价镁合 金在疲劳变形期间的循环应力响应行为，必须考虑其所属的合金系列及相应的热处理状 态。 镁基材料中的循环硬化现象首先是由k 慨曲。和b r o w n 踟在纯镁的疲劳试验中发现 的，其后在m g 捌1 2 5 2 7 l 和m g l i 瞄l 等一些镁合金系中也发现了类似的现象。在后续研究 挤压变形a z 8 l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 中，人们将重点逐渐转移到了热处理及相应的微观组织对镁合金的循环应力响应行为的 影响方面。在铸态及固溶处理条件下，镁合金通常发生循环应变硬化，而且这种循环硬 化是塑性变形期间合金内部位错密度增加所致【2 9 1 。与此相反，时效硬化的镁合金则呈现 不一致的循环应力响应行为：循环加载或者导致循环硬化或者引起循环软化，主要取决 于析出相的类型f 2 9 捌。以m g r e 或m g z n 为基的合金系在时效硬化后由于共格相的析 出而易于发生循环应变软化，这种循环软化是由于共格析出相易于被位错切割，从而减 小了析出相的尺寸所致阻3 。反之，以m g a l 为基的合金系在时效硬化后将形成难于被 位错切割的非共格析出相，所以该合金系在循环加载期间主要表现为循环稳定；此外， 由于非共格析出相不足以钉扎位错【3 2 l ，因此，m g - a l 基合金的循环硬化效应主要源于位 错密度的增加，而且这种循环硬化效应已经在循环应力应变曲线和( 或) 滞后回线上进 一步得到了证实，其基本上发生在约1 0 0 0 0 循环周次以内【3 m 。 此外，镁合金的循环应力响应行为还与疲劳变形条件有关。已有研究表明【3 3 1 ，对于 三种快速凝固的m g - 舢z n - n d 镁合金，循环应变软化是该系列合金在不同外加总应变幅 下的循环应力响应的主要特征，而且在 较高的总应变幅( 疲劳寿命相对较短) 下的循环应变软化程度比较低总应变 幅( 疲劳寿命较长) 下的更大。在较高 应变幅下的全反向应变循环过程中，伴 随着循环应交软化的发生，拉伸应力和 压缩应力将同时降低，而且拉伸应力总 是比压缩应力略低一些，这就意味着整 个合金的承载能力随着循环变形的进 行而逐步降低；在较低的总应变幅下进 行疲劳变形时，拉伸应力与压缩应力之 间的差异相对小得多，而且疲劳失效之 前的循环软化效果也不如在较高总应 2 m h 1 5 0 渤蕊 甍 。i 帅目l 、_ 自【m m d l 一- 、 ，一 、 、 v 也啪jc 趵1l 、 、 l 私 、 沈阳工业大学硕士学位论文 变幅下的显著。需要进一步说明的是，由于不同镁合金系的微观组织及其热处理条件的 差异，因此，很难对各种镁合金的循环应力响应行为做出统一性的归纳和总结。 早期对镁合金进行的疲劳试验一般为应力控制的疲劳试验，所得到的s n 曲线呈现 出明显的疲劳极限跚。据此人们认为，与体心立方结构的材料一样，密排六方结构的镁 合金中也应该存在疲劳极限。但后来的研究得出了不同的结论，其中在有铸造缺陷的铸 造镁合金中确实观察到了疲劳极限，而变形镁合金以及无铸造缺陷的铸造镁合金中则不 存在疲劳极限，也就是说，只有当疲劳裂纹萌生于气孔等铸造缺陷处时，镁合金才易呈 现明显的疲劳极限，如图1 1 所示口 6 1 。尽管应力控制的疲劳试验( 可得到s n 曲线) 具有更广泛的工程应用意义，但对于应 力控制的疲劳试验而言，循环应变的大 小将因循环硬化或软化而改变，而材料 的损伤与循环塑性应变密切相关，为了 明确疲劳损伤机制与疲劳寿命之间的关 系，应该保持应变恒定。因此，人们近 期也对镁合金在应变控制模式下的疲劳 行为进行了研究。对压铸镁合金a z 9 l 循环变形行为的研究表明册，在室温和 1 3 0 0 c 下，应交疲劳寿命数据均可以很 好地遵循c o 妇丘1 1 m a 地定律，而且弹 性、塑性应变幅与断裂时的载荷反向周 次之间的关系曲线均呈现单斜率行为， 如图1 2 所示。 1 4 镁合金的疲劳断裂行为 蕾 图1 2 压铸镁合金a z 9 l 在室温和1 3 0 0 c 下的 应变疲劳寿命数据鲫 f 参1 2s h 嘶nf a t i g u ei i v c so f d i e c a s 髓n ga z 9 1a j l o y a l 删n t 1 p e m a n d1 3 0 0 c 与其它金属材料类似，镁合金中的疲劳裂纹可萌生于循环塑性变形所诱发的驻留滑移带 处御3 删，如图1 3 a 所示。一般地，与疲劳变形相关的驻留滑移带仅出现在无缺陷的材料 中。尽管镁合金具有良好的铸造性能，但镁合金铸件中常常含有铸造缺陷。众所周知，铸造 缺陷的形成通常取决于凝固特征和组织形貌。多数镁合金具有较大的凝固温度区间，这将导 。 舭铲”妒 ”辨”舻” 挤压变形a z 8 l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 致显微缩松的形成，尤其是镁合金中出现枝晶组织时，更有利于显微疏松的形成。此外，铸 造缺陷也可能在主要适用于生产镁合金铸件的高压铸造过程中产生。由于高压铸造时的充型 速度很快，合金熔体未能呈现层状流动，以至于空气可被卷入合金熔体中，从而在凝固后的 合金中形成气孔。此时，疲劳裂纹并非在前述的驻留滑移带处萌生，而是萌生于表面或次表 面应力高度集中的铸造缺陷( 如气孔、显微疏松或宏观偏析) 等处陋3 1 ，4 2 】。图1 3 b 所示即 为铸态a z 9 l 镁合金中疲劳裂纹萌生部位的典型断口形貌，显而易见，疲劳裂纹萌生于显微 疏松处。此外，一些研究者发现【4 3 】，疲劳裂纹亦可萌生于夹杂物处，但镁合金中夹杂物在萌 生疲劳裂纹方面的作用似乎不如钢中那么显著。 图1 3 镁合金az 9 1 中疲劳裂纹萌生fa ) 驻留滑移带处；b ) 显微疏松处 f & 1 3 i n i 蝣鲥s 舱o f 胁i g c m c l ( s i n a z 9 l 枷0 ya ) 缸i g 嘴s l i p b 蛐d s ：b ) i i l i 啪p 啪s i t y 对于铸态a m 5 0 合金而言，在循环载荷作用下，疲劳裂纹将在a m g 基体相的晶界 处萌生，然后沿着o l m g 与共晶体之间的界面扩展，但并不会贯穿整个a m g 晶粒，而且 当外加应力o 。接近或者超过合金的屈服强度时，由于晶界滑移将会导致疲劳裂纹分叉 h 4 i 。对于挤压态a z 3 1 镁合金而言，在高周疲劳变形初期，裂纹优先在化合物相m 9 1 7 a i l 2 处萌生，然后以i 型和i i i 型混合模式穿晶扩展；当外加应力幅略高于合金的疲劳极限 时，疲劳裂纹的扩展将受到晶界的阻碍作用，此时将发生非平面滑移，导致断裂面两侧 晶体间的高度差显著增大；当由于应力循环而使得裂纹前沿的积聚能量达到足以克服晶 界的阻滞作用时，疲劳裂纹便可穿过晶界并向相邻晶粒中扩展：此后。籍助非平面滑移 沈阳工业大学硕士学位论文 在晶界处所积聚的能量将得以释放，断裂面两侧晶体间的高度差随之显著减小，与此同 时，由于疲劳裂纹开始以i 型模式扩展，因此其宽度迅速增大【4 5 l 。 人们在研究三种快速凝固m g a 1 z n 寸蚶镁合金的疲劳行为时发现田l ，在不同应变幅 下的疲劳断口形貌是相似的，即在宏观上呈现脆性断裂特征，而在微观上则表现为韧性 与脆性混合断裂。镁合金中早期的疲劳裂纹扩展主要是受剪切应力控制并常呈现解理断 裂特征，这种解理断裂通常发生在高指数面上，并且裂纹的形态因孪晶和滑移而强烈变 化着；镁合金疲劳断裂表面上有时也呈现一些韧窝特征，它们来源于加载过程中出现并 长大直至在塑性应变和塑性断裂条件下聚合而成的微空洞，其中沉淀相或者夹杂物的破 碎、局部的应力集中都可能形成一些微空洞m 4 n 。 已有研究表明阻3 5 j 羽，镁合金中的疲劳裂纹既可穿晶扩展，亦可沿晶扩展。例如 通过在一定循环周次后人为中止疲劳实验，然后对疲劳样品的表面复型进行s e m 观察 证实：在应变控制条件下，a z 9 1 镁合金中的疲劳裂纹的扩展是通过小裂纹的合并而进 行的。疲劳裂纹既可以沿着枝晶间区域扩展，亦可直接在枝晶内部穿晶扩展，主要取决 于合金的显微组织状态p ”嗣。此外人们也发现，位于晶界处的脆性化合物相m g l 7 a l t 2 有 利于疲劳裂纹沿枝晶间扩展【3 5 】，而较高的裂纹尖端驱动力可以加快疲劳裂纹在m g l 7 趾1 2 相中的扩展，较低的外加应力则有助于疲劳裂纹在静m g 晶粒中的扩展【4 1 ，4 9 l 。以全反向 疲劳加载条件下a z 9 1 镁合金中疲劳裂纹的扩展行为为例【4 9 】，如果疲劳裂纹前端的最大 应力场强度因子较小，那么原有的第二相粒予以及界面将阻碍疲劳裂纹的扩展，以至于 裂纹在其扩展过程中将避开枝晶问区域，而是在成分相对比较均匀的枝晶内部扩展，并 形成明晰的疲劳条纹：如果疲劳裂纹前端的最大应力场强度因子较大，第二相粒子的破 碎以及夹杂物与基体之间的剥离将形成疲劳裂纹扩展的有利通道，裂纹将沿枝晶间区域 扩展，并在断口上形成锯齿状纹理。亦有研究发现【4 3 l ，在镁合金的疲劳变形期问，压应 力可在裂纹前沿塑性区中诱发变形孪晶，其后，在拉伸应力作用下，变形李晶开裂而形 成微裂纹，在析出相沿晶界分布的条件下。张开的疲劳裂纹前沿的塑性区将使得晶界处 的结合强度降低，在局部分离的晶界以及孪晶开裂所形成的微裂纹的共同作用下，合金 将发生穿晶断裂。 挤压变形a z 8 l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 1 5 影响镁合金疲劳行为的因素 ( 1 ) 冶金因素的影响：镁合金的化学成分可对其疲劳行为产生一定程度的影响。例 如，a z 9 l 镁合金中加入y 和n d 元素可提高其断裂韧性，降低疲劳裂纹的扩展速率， 进而提高合金的疲劳寿命【删。 显微组织可对镁合金的疲劳行为产生显著影响。已有研究表明阳，在高周疲劳区， 经过固溶处理的a z 9 1 e 压铸镁合金的疲劳寿命可相差两个数量级，这种疲劳寿命的差异 可主要归因于二次枝晶间距( 范围在1 5 砣2 岬之问) 和晶粒尺寸( 范围在1 0 5 1 4 0 岬) 的不均匀性，因为平均二次枝晶间距和晶粒尺寸可对疲劳裂纹扩展速率产生较大影响， 特别是当疲劳裂纹尺度较小时，这种影响更加显著。对于砂型铸造m g z n z r 含金而言， 不管其是铸态还是热处理态，晶粒越粗大，疲劳强度就越低；此外，在应力场强度因子 范围比较小的情况下，镁合金内部的位错密度越高，疲劳裂纹的扩展速率就越低闱。另 外，第二相质点或颗粒也影响镁合金的疲劳行为，第二相的切变模量和第二相质点间的 平均距离是影响疲劳裂纹扩展速率的重要参数。 镁合金中只要出现气孔或显微疏松等铸造缺陷，疲劳裂纹的萌生周期大大缩短，而 构件的疲劳寿命将随之降低弧删。此外，在无缺陷的镁合金中，尤其是在较低的外加应 力下，疲劳裂纹的萌生周期明显长于其扩展周期，甚至可占总疲劳寿命的9 0 左右叫。 在镁合金的冶炼过程中不可避免地会引进一些夹杂物，这些夹杂物将对镁合金的疲 劳行为产生很大影响。例如，对于挤压态a z 6 l a 镁合金合金而言，在应力控制加载模 式下，表面或次表面的夹杂物可引起应力集中，进而萌生疲劳裂纹【4 3 l 。一般而言，外加 应力幅越低，夹杂物对镁合金疲劳寿命的影响越显著：如果夹杂物呈尖角状，其对镁合 金的疲劳抗力的危害更大；此外，夹杂物分布不均匀时，也会降低镁合金的疲劳强度。 ( 2 ) 环境因素的影响；由于镁合金的化学活性较高，因此其疲劳与断裂行为涉及到力学、 化学等多个学科，而且由于存在腐蚀与疲劳的交互作用，使得镁合金的疲劳问题交得相当复 杂。人们业已注意到，环境对镁合金的疲劳寿命有着较大影响。一般地，在腐蚀性环境中， 镁合金的疲劳寿命呈现不同程度的降低，而疲劳寿命降低的幅度则取决于具体的腐蚀性介 质，其中氯化物、硝酸盐、磷酸盐的水溶液为腐蚀性最强的介质，因为上述盐类的酸根离子 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 可促进已形成的m 酏) h ) 2 腐蚀产物的溶解；此外，即使在自来水或蒸馏水中，镁合金的疲 劳寿命也可显著降f 氐p 5 脚5 l 。 由于镁合金对腐蚀环境非常敏感，因此，它们的在腐蚀介质( 大多数为盐溶液) 中的 疲劳强度可降低到空气中的1 。自来水环境中的疲劳s n 曲线比空气中的更陡，海水比 自来水有更强的腐蚀作用，因为氯离子同镁合金表面的保护膜反应，使之失去保护作用，而 水蒸气之所以降低镁合金的疲劳抗力，氢脆是最为重要的原因之一。通过研究高强镁合金 a z 8 0 在空气中与在o 5 和3 5 n a c l 水溶液中以及压铸镁合金a z 9 1 玎p 在空气中和 5 9 孙l c l 盐雾中的疲劳行为发动寸邓5 l ，盐水和盐雾可恶化镁合金的疲劳性能，并且随着循环 周次的增加，腐蚀介质对镁合金疲劳强度的影响变得更加显著。 在腐蚀性溶液中，疲劳裂纹大多萌生于由m g ( 0 h ) 2 所构成的腐蚀层中已经开裂的部 位，而且腐蚀性环境对疲劳裂纹萌生过程比对其扩展过程的影响更加显著郾州；此外， 疲劳裂纹也可在腐蚀凹坑处萌生，这类腐蚀凹坑是由于析出相或夹杂物等部位发生了局 部电化学腐蚀而形成的，尤其是在应力幅较低的高周疲劳区，腐蚀凹坑在萌生疲劳裂纹 方面的作用更为突出【5 5 5 7 l 。为了避免局部电化学腐蚀，通常采用高纯度的镁合金。 对于铸造镁合金而言，除了腐蚀诱发的表面损伤外，还存在铸造缺陷引起的疲劳损 伤。如前所述，气孔、显微疏松等铸造缺陷往往是疲劳裂纹萌生的有利部位，尽管这些 铸造缺陷处可发生更大程度的腐蚀( 如图1 4 所示) ，但与空气环境中的疲劳寿命相比较， 在腐蚀性介质中镁合金的疲劳寿命并未呈现 减少趋势，这说明在萌生疲劳裂纹方面，气孔 等铸造缺陷本身比环境腐蚀更有效【3 ”。 g a l l 等人利用扫描电子显微镜对铸造 删b 镁合金在真空和水蒸气环境下的高周疲 劳裂纹萌生和扩展行为进行了原位观察并发现 图1 4 铸态a z 9 1 镁合金中铸造气孔处因 网，在真空环境中，疲劳裂纹优先在气孔等铸造 腐蚀而诱发的表面开裂 缺陷处萌生，随着循环周次的增加，新的疲劳裂 h 吕l 4c 咖5 1 v c 8 扎a c k 唑u c i i 】9 5 ：凼伪 挤压变形a z 8 l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 纹也可在a m g 枝晶内部的驻留滑移带处萌生，疲劳裂纹的扩展可沿着枝晶间界面、特定晶 体学平面和穿过枝晶区的方式进行，具体以何种方式扩展主要取决于显微疏松和驻留滑移带 的存在与否以及相邻枝晶区域的滑移是否协调等因素：而在水蒸气环境中，萌生疲劳裂纹所 需的循环周次比真空环境中要少得多，而且所萌生的疲劳裂纹数目相对也少一些，疲劳裂纹 主要以穿过枝晶区的方式扩展，而且扩展速率更大。 k o 蛳h i 等人针对a z 9 1 d 镁合金在干燥及潮湿的空气、氩气等不同环境中的疲劳 裂纹扩展行为进行了研究【蟠】，并提出空气中的氧可引起疲劳断裂面的氧化，进而在疲劳 断裂面处形成一层表面氧化膜，而这种硬质氧化膜的出现将会抑制其所覆盖区域的基体 的塑性变形，促进潮湿气氛中氢脆的发生，因此在潮湿的气氛中，疲劳裂纹扩展的门槛 值趋于降低，疲劳裂纹的扩展速率将由于氢脆而大大增加；在较高的循环频率下，在空 气和氨气中疲劳裂纹的扩展速率相差不大，而随着循环频率的降低，疲劳裂纹在空气中 的扩展速率将高于其在氢气中的扩展速率，这是由于氧化反应速度主要取决于时间，因 此在低循环频率下疲劳断口上的氧化膜层比高循环频率下的更厚，而氧化膜的脆性非常 大，故其对疲劳裂纹扩展速率的影响在低的循环频率下更为显著。 除了环境因素本身外，加工工艺等因素也会影响镁合金在腐蚀性介质中的疲劳性能。例 如，在3 5 的n 犯l 溶液中，三种铸态与挤压态a z 9 l d 、枷5 0 和a z 3 l 镁合金的疲劳寿命 显著降低，而且与铸态镁合金相比，挤压态镁合金的疲劳寿命的降低幅度更大 锕。 ( 3 ) 表面状态的影响：镁合金比铝合金和钛合金有更大的缺口敏感性，变形镁合金 比铸造镁合金有更大的缺口敏感性。如果镁合金试样表面不抛光，由于一些表面缺陷可 以作为疲劳裂纹源，将使镁合金的疲劳强度降低【5 9 1 。因此，镁合金的疲劳数据一般源自 于表面抛光试样。 e i 缸等人研究了表面阳极氧化膜对经过固溶+ 时效( t 6 ) 处理的w e 4 3 a 镁合金的 疲劳强度的影响【鲫】，结果表明；无论膜层的厚度如何，表面阳极氧化膜均可使w e 4 3 a 镁合金在高周循环条件下的疲劳强度降低l o 左右，但却可以改善合金在低周循环条件 下的疲劳强度。这些作者同时也提出，表面阳极氧化膜不仅影响疲劳裂纹的萌生过程， 而且可通过改变裂纹扩展通道而影响疲劳裂纹的扩展过程。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 温度的影响：温度是影响镁合金疲劳行为的另一重要因素。相关研究结果揭示， 随着温度的升高，相同循环应力所对应的塑性应变幅明显增大，从而加快了疲劳裂纹的 萌生过程，导致镁合金的疲劳寿命大大降低【3 5 捌l 。在高于2 2 0 0 c 的温度下，柱面滑移系 将被激活，这可促进滑移带的形成，结果出现大量清晰的驻留滑移带，而孪晶的数量则 相对很少；另一方面，高温可减小m g a i 系镁合金的循环应变硬化效应，而且由于拉伸 和压缩载荷的不对称现象，特别是存在平均应力的条件下，循环蠕变将成为镁合金高温 疲劳变形时一种重要的损伤机制【3 5 l 。 在真空条件下，室温疲劳变形时镁合金中的疲劳条纹不清晰、不规则，而低温疲劳 变形时( 如1 3 0 0 c ) 镁合金中的疲劳条纹则如同在空气中一样地清晰和规则蚓。对于 m a l 2 镁合金( 他态和t 6 态) 而言，当温度从8 0 0 c 降到1 3 0 0 c 时，其疲劳裂纹尖端 塑性区尺寸减小，而疲劳裂纹扩展速率则随着温度的降低而降低【6 3 l 。 高温时，镁合金的弯曲疲劳s - n 曲线和室温时有大致相同的形状，但是其疲劳强度 降低，疲劳寿命缩短：此外，铸造镁合金的高温疲劳强度一般低于变形镁合金，而且随 着温度的升高，铸造镁合金和变形镁合金疲劳的缺口敏感性降低，如超过2 2 0 0 c 时，镁 合金的缺口敏感性几乎完全消失嗍。 1 6 提高镁合金疲劳性能的途径 对镁合金进行表面机械加工除了可提高其表面光洁度外，也可提高其疲劳强度和疲 劳寿命，常用的镁合金表面机械加工方法有机械抛光、喷丸处理和表面滚压等。喷丸处 理有利于提高铸造镁合金和变形镁合金的表面质量，且可使缺口试样的疲劳强度提高 2 0 删硼。机械抛光和喷丸处理可以提高a z 8 0 镁合金在空气介质中的高周疲劳性 能，但对合金在n a c l 水溶液中的疲劳性能无明显影响；表面滚压除了得到光滑的表面 外，还在表层的足够深度处形成残余压应力，从而显著改善a z 8 0 镁合金在空气介质以 及在3 5 c l 水溶液中的高周疲劳性能m 鲫。 表面滚压还可以使z m l 镁合金的缺口疲劳极限提高到2 0 0 以上，较普通结构钢的 表面强化效果高出一倍，同时也可使合金的光滑疲劳极限提高5 7 ，并大大降低疲劳缺 口敏感性嗍。z m l 镁合金表面滚压时通过滑移和孪生两种方式进行塑性变形，伴随着位 错密度的显著增高，使表面硬度大幅度提高，并在表面层引入高的残余压应力和使表面 挤压变形a z 8 l 镁合金的疲劳变形及断裂行为 粗糙度得到显著改善，其中表面层的残余压应力是引起缺口疲劳极限大幅度提高和疲劳 缺口敏感度显著下降的主要因素。 对于镁合金而言，也可通过热处理来提高它的抗疲劳性能。例如。经过表面机械处 理的热轧a z 3 1 镁合金在适当的退火处理后，其疲劳寿命可提高一倍以上【6 7 l 。针对经过不 同热处理的压铸a z 9 l h p 镁合金在室温和空气介质中的低周疲劳行为丽进行的实验研究 发现【硐，当外加应变幅较高时，固溶处理试样因为可以发生更大幅度的循环应变强化， 因而表现出比压铸试样和固溶+ 时效处理试样更长的疲劳寿命，尽管它的屈服强度最低。 b a g 等人对铸态、固溶处理以及固溶+ 时效处理状态a z 9 l d 镁合金的高周疲劳寿命行为的 研究结果表吲6 9 1 ，与铸态a z 9 l d 合金相比较，经过热处理的合金表现出更长的疲劳寿命 和更好的疲劳裂纹扩展抗力，这主要是由于经