變形鎂合金疲勞行為的研究范文

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《遼寧科技大學學報》2017年第4期

摘要:從疲勞循環變形響應行為、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狀，重點介紹了加載條件、環境、表面狀態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劣。對變形鎂合金疲勞研究的發展方向進行了展望。

關鍵詞:變形鎂合金;疲勞性能;循環變形;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，是當今工業產品應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構件的需求。鎂合金結構件在服役過程中不可避免地承受循環載荷，發生疲勞損傷;疲勞損傷積累到一定程度后會導致結構件發生疲勞斷裂。而由于其具有的密排六方晶體結構，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，導致力學性能的不對稱性［2］。這一不對稱性會引起不可逆的循環變形，進而對結構件的疲勞性能產生不良影響。因此，基于安全性及可靠性要求，鎂合金的循環變形及疲勞性能研究顯得尤為重要。近年來，各國學者對變形鎂合金疲勞行為的研究較多，研究內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境中的疲勞損傷、疲勞裂紋擴展機理與孿生-去孿生關系，以及壽命預測等的研究較為缺乏。為了給相關研究人員提供參考，作者對近年來變形鎂合金疲勞行為的研究現狀進行了綜述，并指出了后續研究的重點及方向。

1變形鎂合金的疲勞與斷裂

1．1循環加載的響應行為

鎂合金獨特的晶體結構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，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。在高應變幅循環加載時，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變形行為研究較多，研究人員常借助應力-應變滯回曲線、應力幅-循環周次曲線、塑性應變幅-循環周次曲線及平均應力-循環周次曲線等來分析循環加載過程中的微觀變形機制［4-5］。變形鎂合金在循環加載過程中會表現出循環硬化、循環軟化及循環穩定等3種行為，如軋制AZ31鎂合金［6］及擠壓ZA811M鎂合金［7］在不同的應變幅下均表現出循環硬化行為，NZ30K鎂合金在低應變幅下表現出循環軟化行為而在高應變幅時表現出循環硬化行為［8］，GW123K鎂合金［9］及GW103K鎂合金［10］則表現出循環穩定行為。對于這3種行為，PARK等［11］認為循環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，循環軟化則是由位錯的湮沒引起的。BEGUM等［12］指出，循環硬化速率的提高與殘余孿晶數量的增加有關，殘余孿晶會阻礙位錯滑移，導致位錯塞積。MIRZA等［8］則認為:導致循環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，產生位錯塞積，從而促進了循環硬化。YIN等［13］在研究擠壓AZ31鎂合金的循環變形行為時發現，循環硬化在拉、壓方向并不對稱，并認為該現象與兩種因素有關: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蠕變。

1．2疲勞壽命的計算公式

常規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雜，在一般疲勞條件下存在著平均應力。在考慮到平均應力的條件下，MATSUZUKI等［14］繪出了恒塑性應變幅條件下AZ31鎂合金的Coffin-Manson曲線，結果表明塑性應變幅與疲勞壽命呈現出兩段線性關系，不同的變形模式導致了不同塑性應變幅區的線性關系。HASEGAWA等［15］發現:在應力控制模式下，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，在應變控制模式下，鎂合金的疲勞壽命偏離了Coffin-Manson關系;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鎂合金在應力/應變控制模式下的疲勞壽命計算公式。YU等［16］在對擠壓AZ61A鎂合金研究時發現，在不同應變比加載條件下，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變能參數。圖中ΔWp為塑性應變能密度(即每個循環周期塑性應變能)，ΔWt為總應變能密度(即每個循環周期塑性應變能與拉伸彈性應變能之和)，RD為軋制方向，ND為軋面的法向。由圖1可以發現:沿RD和ND加載的試樣，其塑性應變能密度與疲勞壽命均呈線性關系，但計算疲勞壽命所用參數不同;總應變能(考慮平均應力效應)密度也與疲勞壽命呈線性關系，并且不需要區分疲勞方向，可以用統一的參數計算鎂合金的疲勞壽命。總體來說，有關鎂合金疲勞壽命預測的研究較少，涉及的鎂合金種類也不多，且研究不夠系統和深入，尤其是在非對稱載荷等復雜工況下的疲勞壽命預測研究較為欠缺。

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變形，從而提高其疲勞性能;在較高應變速率下，裂紋萌生階段較短，裂紋擴展階段更長，導致其疲勞壽命延長。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論，并逐漸發展了復雜工況下的擴展模型。然而這些模型主要是為了擬合相應的試驗數據而提出的，對復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、應變速率

關于應變速率對疲勞行為影響的研究并不多，研究結果也不盡相同。DUAN等［21］指出，高的應變速率更有助于促進孿生-去孿生行為，抑制位錯滑移，從而降低循環硬化速率并延長疲勞壽命。WANG等［22］則發現應變速率越高，循環硬化速率、應力幅和平均應力越高，疲勞壽命越短。武艷軍［23］指出:在較低的應變幅下，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變幅、高頻率下，孿晶的數量增多。

2．1．2應變比、應力比

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］研究了應變幅為0．4%時，不同應變比(－2～5)對擠壓AZ31和AM30鎂合金疲勞行為的影響，發現較低的應變比易產生較強的循環硬化。YU等［16］研究了AZ61鎂合金在應變比為0，－1，－∞時的疲勞行為，發現隨著應變比的降低，循環硬化加強，應力幅、平均應力降低，疲勞壽命延長。XIONG等［24］研究時同樣發現，隨應變比降低，AZ31B鎂合金的疲勞壽命延長，不同應變條件下得到的應變-疲勞壽命曲線中都存在一個非常明顯的拐點，該點為變形機制轉變點。SHIOZAWA等［26］研究發現，在高周疲勞試驗過程中，當應力比為0時，AZ61F鎂合金、AZ80F鎂合金和時效態擠壓AZ80鎂合金的應力-疲勞壽命曲線均存在明顯的疲勞極限，而應力比為－1和－1．5時，應力-疲勞壽命曲線的中間部分均出現了平臺區。LIN等［27］在對軋制AZ91鎂合金進行低周疲勞試驗時發現，隨著應力比(－0．4～0．4)的增大，該鎂合金吸收的總應變能減小，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］發現，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構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構。LV等［29］在研究AZ31鎂合金時發現:沿垂直于軋制方向加載的試樣，無論是在應力控制還是在應變控制下，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力更低，產生的塑性應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應力幅、應變幅

應力及應變幅的增大將會導致鎂合金疲勞性能的降低［22，33-34］。WANG等［22］發現，隨應變幅增大，AZ80鎂合金的應力幅增大，循環硬化速率也增大。這主要是因為:當應變幅較高時，除位錯促進循環硬化外，殘余孿晶也會加速循環硬化過程;在低應變幅下，正的平均應力隨應變幅增大而降低，而在高應變幅下，正的平均應力先減小后增大。CHEN等［34］在對熱軋AZ91鎂合金進行低周疲勞試驗時發現，當應力幅增大時，殘余孿晶所產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，導致了鎂合金疲勞性能的下降。

2．2環境

環境對鎂合金的疲勞性能有著顯著影響［35-39］。當處于腐蝕環境，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、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境中的腐蝕疲勞性能，發現:在實驗室空氣環境中，AZ80鎂合金因鋁元素含量較高，在低應力幅下其裂紋主要萌生于循環滑移變形處，因而具有最高的疲勞強度;在腐蝕環境中，3種合金的疲勞強度非常接近。NAN等［39］研究了AZ31鎂合金在質量分數為3%的NaCl溶液中的疲勞行為，發現:在腐蝕環境中，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］在研究中發現，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變為穿晶斷裂，同時顯微組織中出現了位錯滑移帶，發生了變形孿晶及晶粒的長大。GRINBERG等［42］研究時則發現，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尺寸減小，疲勞裂紋擴展速率降低。

2．3表面狀態

變形鎂合金的缺口敏感性很大，尤其是在較高應力幅下，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，在循環變形過程中，一些表面缺陷成為疲勞裂紋源，導致疲勞強度的降低。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。然而在應用中，實際結構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，關于表面狀態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，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，提高力學性能［43］。近十年來，對含稀土鎂合金循環變形及疲勞性能的研究報道很多［10，44-48］。ZHU等［44］發現在相同的外加應變幅下，GW102K稀土鎂合金的疲勞壽命要顯著高于AZ31鎂合金的，兩種合金的總應變幅與疲勞壽命在試驗范圍內均呈近似線性關系，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，發現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現，經T5(204℃×48h)、欠時效及過時效處理后，鎂合金在循環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種熱處理狀態下的疲勞性能進行了對比，發現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合金的更差，疲勞強度降低了27%。LIU等［51］研究發現，ZK60鎂合金在經T5處理后疲勞強度提高了7%，但是經應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AZ31鎂合金及其經350℃×1h空冷熱處理后的疲勞行為，發現兩種狀態合金的循環應力響應行為及應力-應變滯回曲線并無太大區別，前者的疲勞壽命要略高于后者的。總體來說，優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］研究發現，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］發現，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結束語

早期有關變形鎂合金疲勞行為的研究主要集中在其宏觀循環變形行為、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論。隨著鎂合金應用范圍的擴大，近幾年研究的重點轉向鎂合金疲勞變形的微觀機制、疲勞變形誘發的微觀結構演化及其與鎂合金疲勞行為之間的關系、孿晶在鎂合金疲勞變形及斷裂過程中的作用等方面。盡管有關變形鎂合金疲勞行為的研究很多，涉及的內容也比較廣泛，然而其研究理論還不夠成熟、完善。疲勞壽命預測模型的完善、非對稱循環變形行為的控制機制、疲勞裂紋擴展機制與孿生-去孿生的關系研究，腐蝕疲勞行為研究，以及已有研究成果的工程化應用等，是未來變形鎂合金疲勞研究發展的重要方向。

參考文獻:

［1］閻峰云，張玉海．鎂合金的發展及其應用［J］．現代制造技術與裝備，2007(4):13-15．

［2］丁文江，靳麗，吳文祥，等．變形鎂合金中的織構及其優化設計［J］．中國有色金屬學報，2011，21(10):2371-2381.

作者：宋曉村1；趙東清1；2；周吉學1；3；楊院生4 單位：1．山東省科學院新材料研究所，2．山東省輕質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研究中心，4．中國科學院金屬研究所