多因素耦合作用下AZ31鎂合金動態(tài)力學行為研究.pdf

1、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞是金屬材料重要的兩種動態(tài)力學性能，也是構(gòu)件工程失效的兩種重要形式。鎂合金作為繼鋼鐵和鋁合金之后第三大綠色工程應(yīng)用材料，要真正實現(xiàn)“3C、汽車、航空航天等領(lǐng)域”的廣泛應(yīng)用，對其動態(tài)力學性能進行研究是非常必要的。鎂合金雖然具有密度小、比強度和比剛度高、易于切削加工和回收利用等一系列優(yōu)點，但是金屬鎂化學性質(zhì)活潑，耐蝕性很差。鎂合金構(gòu)件在實際使用過程中，不僅承受各種動載荷，還受到服役環(huán)境的影響。因此，模擬其在不同介質(zhì)中的動態(tài)力

2、學性能對擴展鎂合金應(yīng)用范圍具有重要的意義。
　　本文以AZ31變形鎂合金為研究對象，以四種常見介質(zhì):空氣、3.5 wt.％NaCl溶液、3.5 wt.％ Na2SO4溶液和齒輪油為試驗環(huán)境，系統(tǒng)開展了AZ31鎂合金在不同環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞行為研究。并采用微弧氧化、有機涂層等方法對AZ31鎂合金進行表面防護，研究各涂層在不同環(huán)境下的動態(tài)防護機理。利用金相顯微鏡、SEM、EDS、TEM、XRD和電化學測試等方法，觀察分析鎂合金

3、及各涂層形貌和物相組成，及環(huán)境和應(yīng)力耦合作用下的腐蝕特征與斷口形貌;詳細探討了不同腐蝕環(huán)境中，微弧氧化和有機涂層對AZ31鎂合金應(yīng)力腐蝕敏感性、腐蝕疲勞極限、裂紋萌生和擴展機制的影響;闡述了AZ31鎂合金、微弧氧化和有機涂層與周圍腐蝕環(huán)境間的腐蝕行為及作用機理。本文以循環(huán)次數(shù)達到1.0E+7次時，試樣所承受的疲勞載荷為疲勞極限。
　　研究表明，AZ31鎂合金的應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞性能在空氣、（齒輪油）、Na2SO4和NaCl溶液中依

4、次降低，這一定程度上說明鎂合金動態(tài)力學性能與其腐蝕離子選擇性緊密相關(guān)。微弧氧化處理后，試樣在腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕性能稍有改善，但在空氣中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性反而增大，四種環(huán)境下的腐蝕疲勞性能也均惡化。而微弧氧化及封孔處理后試樣在NaCl和Na2SO4溶液中的耐蝕性明顯提高。這表明AZ31鎂合金的動態(tài)力學性能與其本身的電化學性能并不總是線性相關(guān)的。相比之下，環(huán)氧涂層處理后，試樣在四種環(huán)境中的腐蝕疲勞性能顯著提高，甚至高于基體材料在空氣中的

5、疲勞性能。
　　從腐蝕角度分析，腐蝕特征對裂紋萌生有重要影響，與試樣表面特征、受力狀態(tài)及周圍腐蝕環(huán)境等密切相關(guān)。(1) AZ31鎂合金在空氣和齒輪油中幾乎不發(fā)生腐蝕，在NaCl溶液中發(fā)生點蝕，與受力狀態(tài)無關(guān);但在Na2SO4溶液中腐蝕特征隨著受力狀態(tài)的不同發(fā)生改變:在慢拉伸試驗中，試樣表面出現(xiàn)平行于受力方向條狀腐蝕特征，而在高頻疲勞交變載荷作用下，試樣表面腐蝕特征不明顯。腐蝕加快裂紋的萌生和擴展過程，是材料動態(tài)力學性能下降的重要原

6、因。(2)微弧氧化及封孔處理后，疲勞試樣表面在Na2SO4溶液和齒輪油中呈現(xiàn)一些彎曲的“小割痕”腐蝕特征。在一定應(yīng)力作用下，固有缺陷微弧氧化孔很容易被撕裂拉開。但疲勞載荷是交變往復(fù)的，不像慢拉伸應(yīng)力單向遞增，試樣不會由小孔處直接線性拉斷，而是需要經(jīng)過一定損傷累積過程。(3)環(huán)氧涂層處理后，試樣在Na2SO4溶液和齒輪油中只在表面出現(xiàn)一些吸附物，無明顯破壞性腐蝕缺陷。但在NaCl溶液中，環(huán)氧涂層試樣表面出現(xiàn)大量圓圈狀特征，呈晶粒分布狀。而

7、這些圓圈又是由一層層小針孔圍繞而成，這些小針孔非常細小、分布均勻，向涂層深度方向擴展，表面未發(fā)生聚合長大現(xiàn)象，屬于均勻腐蝕，危害性遠小于點蝕，是疲勞性能改善的重要原因。
　　從斷口形貌分析，(1) AZ31鎂合金應(yīng)力腐蝕斷口表面凹凸不平，存在多處裂紋萌生源，在空氣中還出現(xiàn)少量韌窩特征。而疲勞斷口表面工整，包含了疲勞裂紋萌生、擴展和瞬斷三個典型區(qū)域。且疲勞裂紋萌生源單一，可觀察到疲勞輝紋現(xiàn)象，斷口表面均不存在韌窩。TEM觀察分析表明

8、，在外加載荷作用下，鎂合金內(nèi)部以位錯和滑移變形方式為主。疲勞試驗后試樣內(nèi)部位錯密度高于試驗前。腐蝕環(huán)境并不改變鎂合金變形方式，裂紋尖端腐蝕液加速裂紋擴展，直至試樣斷裂失效。除了空氣中的應(yīng)力腐蝕斷口可以歸為混合斷口，NaCl和Na2SO4溶液中的應(yīng)力腐蝕和四種環(huán)境下的疲勞斷口均呈現(xiàn)解理斷裂特征。這主要是由于腐蝕環(huán)境和高頻疲勞交變載荷加速了萌生裂紋、擴展和試樣斷裂過程，使材料脆化，韌窩特征來不及顯現(xiàn)。
　　(2)微弧氧化孔的存在是周圍