AZ31鎂合金疲勞行為研究.pdf

1、鎂合金是最輕的金屬結構材料,具有高的比強度、比剛度、減振性、導熱性、可切削加工性和可回收性,因而被稱為21世紀的“綠色工程材料”。尤其是隨著汽車工業(yè)及電子行業(yè)的迅速發(fā)展,大量的鎂合金構件應運而生,部分代替了塑料、鋁合金甚至鋼鐵材料,預計鎂合金將成為本世紀最重要的商用輕質金屬結構材料之一。目前,鑄造鎂合金應用關鍵技術已取得較大突破,產業(yè)化已初具規(guī)模。研究結果表明,變形鎂合金無論在強度還是韌性方面均遠優(yōu)于鑄造鎂合金。因此,變形鎂合金必然為下

2、一代新型鎂合金的發(fā)展重點。作為結構材料,鎂合金必然會受到循環(huán)應力/應變作用,為了其安全應用,需要了解其疲勞行為及失效機理。但是對鎂合金疲勞性能的研究,一般采用唯象連續(xù)介質模型,忽略了鎂合金獨特的變形機制特點。AZ31鎂合金獨特的hcp晶格結構,導致孿生成為其重要的變形機制之一。但目前的研究,一般將位錯滑移與孿生混合在一起研究,甚至忽略了孿生在疲勞開裂中的作用。事實上,孿生在一定條件下可以成為疲勞變形主要的變形機制,同時通過改變晶粒取向為

3、位錯的進一步滑移提供條件。因此,了解孿生在鎂合金疲勞變形過程中的作用,可以更深刻的了解鎂合金的疲勞變形行為。
　　 為此,本文以AZ31鎂合金為研究對象,通過研究鎂合金疲勞過程中孿生的影響因素入手,了解孿生在鎂合金疲勞中的作用。對鎂合金而言,影響孿生行為的因素主要包括織構、應變率、晶粒尺寸和預先引入的孿晶等。采用x射線衍射技術確定鎂合金織構,沿特定取向切割試樣,研究孿生與位錯滑移各自對疲勞性能的影響規(guī)律;通過不同頻率下的疲勞實驗

4、,產生不同的孿生量,分析孿生量對鎂合金疲勞壽命的影響;ECAP變形細化鎂合金,抑制孿晶的產生,研究細晶對鎂合金疲勞性能的影響規(guī)律;采用預變形手段在鎂合金中引入孿晶,研究初始孿晶對鎂合金疲勞的影響。取得以下主要結論:
　　 (1)當鎂合金以孿生為主要變形機制時,由于出現(xiàn)了大量的殘余孿晶,試樣具有較高的循環(huán)硬化行為;孿生主導試樣具有較大的裂紋尖端循環(huán)塑性區(qū),其尺寸大約是位錯主導試樣的的四倍,由此導致了孿生主導試樣斷口較為粗糙,而位錯

5、主導試樣斷口較為光滑,并出現(xiàn)了含有大量孿晶的小平面;由于粗糙裂紋面誘發(fā)的裂紋閉合效應,孿生主導試樣具有較高的疲勞壽命。
　　 (2)恒應力幅對稱高周疲勞條件下,隨著疲勞的進行,能量參數(shù)逐漸降低至零,表明滯后環(huán)不對稱性逐漸減輕;棘輪行為只存在于鎂合金疲勞初期,隨后出現(xiàn)棘輪安定,因此其對鎂合金疲勞損傷影響不大;壓縮應變峰值隨疲勞進行逐漸變小,在約200周時反向,表現(xiàn)為拉伸應變,抑制了退孿生行為;疲勞裂紋易在材料表面孿晶帶處形核,并以

6、穿晶方式沿著孿晶界面擴展。
　　 (3)低于0.2％的應變幅下,加載頻率提高可以延長鎂合金疲勞壽命;而高于0.2%的應變幅時,頻率對疲勞壽命影響不大。疲勞壽命的增加源于低應變幅高頻率下,提高了孿晶的數(shù)量。
　　 (4)等徑角變形AZ31鎂合金在應變疲勞條件下表現(xiàn)出循環(huán)軟化行為,且隨著應變幅的增加,軟化程度加劇;該軟化行為可歸因于疲勞過程中的微結構的不穩(wěn)定性。等徑角擠壓變形造成了AZ31鎂合金內部的缺陷沿著最后一道次的切變

7、面分布,引起晶粒的再結晶,并使得再結晶晶粒的長軸沿著等徑角擠壓的切變面。等徑角變形材料具有較小的疲勞應變能,由此提高了鎂合金的低周疲勞壽命,其彈性應變幅、塑性應變幅與斷裂時的載荷反向周次之間的關系可分別采用Basqmn和Coffin-Manson公式描述。
　　 (5)無預壓縮鎂合金在拉伸階段以位錯滑移為主要變形機制,在壓縮階段以孿生為主要變形機制,而預壓縮變形改變了拉伸和壓縮階段的變形機制,并導致了平均應力的改變。在高應變幅下