挤压镁合金AZ31D的超高周疲劳行为研究

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图3
*+ ,*
镁合金疲劳断口
130 120 110 100 90 80 10 3 10 4 10
5
2mm
( a )
100!m
( b )
10 6
10
7
10 8
10 9
10 10
a -Байду номын сангаас"#$
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3
结论
（ 1 ） 镁合金 AZ31D 的疲劳 S － N 曲线呈现连 9 续下降形态， 不存在所谓的疲劳极限， 在 10 周时材 料的疲劳强度接近于材料的压缩屈服强度， 为 90 ± 5MPa。 （ 2 ） 疲劳裂纹主要萌生于近表面的拉伸孪晶或 内部的 Al － Mn 相， 向外扩展并导致最终的失效， 合 金成分的均匀化能及有效地抑制孪生的技术手段将 会改善材料的超高周疲劳性能。 （ 3 ） 严重塑性变形处理， 细化晶粒并调整材料 的初始织构进而影响材料的强度及各向异性 。特别 是多向锻造技术制备镁合金的织构很弱， 且可以大 有望大幅度提升 AZ 幅度提高材料的压缩屈服强度， 系及 AM 系镁合金的超高周疲劳强度。 参考文献
镁合金 AZ31D 的拉伸 － 压缩性能
强度 抗拉强度 MPa σ bt， 294 抗压强度 MPa σ bc， 349 拉伸 延伸率 % 20. 4 压缩 延伸率 % 14. 1
压缩屈服 MPa σ0. 2c， 86
不同， 容易形成裂纹， 因而在交变载荷的作用下裂纹 并作为主裂纹源向外不断扩展， 在该区域优先形核， 导致最终的断裂。由于在高周疲劳过程中裂纹萌生 寿命占主导地位， 因而延缓裂纹的形核将大大提高 材料的疲劳寿命。
9
对于大多数样品的断口进行观察 ， 结果表明， 疲 劳裂纹萌生的位置基本在样品的表面和近表面处 。 由于这两种断口的特征很接近， 因此这里统称为近 表面裂纹萌生。 对裂纹萌生位置进一步放大处理， 发现存在大量的板条状区域 （ 图 4 ） ， 早期的相关研 究认为这些条状区域是由大量的滑移带构成 ， 尹等 对 AZ31D 合金的低周疲劳断口进行细致的研究 ， 并
［1 ］
， 常规力学性能如表 1
所示， 该材料存在较强的拉伸 － 压缩屈服非对称性， 材料的压缩屈服强度远远低于拉伸屈服强度仅为 86MPa。超声疲劳实验在 Shimadzu USF － 2000 疲劳 机上进行， 加载频率为 20kHz， 间隙 300 ms， 应力比 R = － 1 。样品在恒载荷条件下实验直至断裂， 或者
表1
拉伸屈服 强度 MPa σ0. 2t， 194
图 3 是一个比较特殊的疲劳断口， 绝大多数样 品的裂纹萌生于表面或近表面， 而该样品的疲劳裂 纹萌生于样品内部向四周扩展并导致最终的断裂 。 宏观断口形貌与钢的超声疲劳断口上的 “鱼眼 ” 相 近， 但又不尽相同， 箭头所指处为疲劳裂纹萌生位 置， 对裂纹源区的放大观察并对该处进行化学成分 EDS 分析， 结构表明该区域 Mn 元素含量和 Al 元素 含量很高， 在应力下 Al － Mn 相与基体的变形能力
基金项目： 国家自然科学基金（ 批准号： 10647138 ） 作者简介： 尹树明（ 1973 － ） ， 男， 材料物理与化学博士， 主要从事镁合金方面的相关研究。E － mail： yin_shuming@ yeah． net 收稿日期： 2013 － 04 － 17
2013 年第 7 期
尹树明 等： 挤压镁合金 AZ31D 的超高周疲劳行为研究 2. 2 疲劳裂纹萌生
·55·
9 到 10 周次停止实验。超声疲劳样品的尺寸如图 1 所示。疲劳试验样品表面用 1500 # 砂纸打磨， 并进
行电解抛光处理以避免加工刀痕对疲劳寿命的影 响。电解 抛 光 液 为 10% 高 氯 酸 乙 醇 溶 液， 电压 10V， 温度控制在 0℃ 。部分样品的断口用扫描电镜 （ SEM） 、 能谱 （ EDS ） 进行仔细观察和测试， 以便更 好地分析材料的损伤机理。
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轻
金
属
2013 年第 7 期
对裂纹萌生区进行金相处理和观察证实了这些板条 状形貌实为拉伸孪晶， 并提出了相应的断口形貌形 成机制
［3 ］
这些措施也可能延缓疲劳裂纹的形 滑移优先发生， 核， 提高材料的疲劳寿命， 当然， 也可以通过增加合 金元素含量进而提高材料的屈服强度来提高材料的 超高周疲劳强度， 这些问题值得我们进一步研究。
DOI:10.13662/j.cnki.qjs.2013.07.007
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轻
金
属
2013 年第 7 期
挤压镁合金 AZ31D 的超高周疲劳行为研究
尹树明， 王春晖， 赵述哲， 成泰民
( 沈阳化工大学， 辽宁 沈阳 110142 )
摘 要： 对挤压镁合金 AZ31D 进行了超声疲劳实验。结果表明在 超 高 周 范围， 该 材 料 的 应 力 － 寿命曲 线 呈连 续 下降 型。在 10 9 周时材料的疲劳强度为 90 ± 5MPa; 疲劳极限与抗拉强度 之 比 约 为 0. 3 。 疲劳裂纹 主 要 萌 生 于 表 面或 亚 表 面的拉伸孪晶， 也有个别样品的疲劳裂纹萌生于样品内部的 Al － Mn 相。 关键词： 镁合金; 超高周疲劳; 裂纹萌生; 拉伸孪晶 中图分类号： TG1462 + 2 文献标识码： A 文章编号： 1002 1752 ( 2013 ) 07 54 3
1
实验材料与方法
本实验采用的材料是商用镁合金 AZ31D 挤压
1. 01Zn、 棒 材，其 化 学 成 分 （ wt% ） 为： 2. 87Al、 0. 32Mn、 0. 03Si、 0. 002Fe、 0. 0016Cu、 0. 008Ni 余 量 为 Mg。 该 材 料 为 粗 晶 镁 合 金， 其晶粒尺寸约为 76 μm， 材料具有较强的基面织构， 大多数晶粒的基 面平行于挤压棒材的轴向
Abstract ： Ultrasonic fatigue testing had been conducted on extruded AZ31D magnesium alloy． The S—N curve for this alloy appeard to have a continuous decreasing trend in the very high cycle regime． Fatigue strength at 10 9 cycles was 90 ± 5MPa． The ratio of endurance limit at one billion cycles to the tensile strength （ σ － 1 / σ b ） was 0. 3． Fatigue crack mainly originated from the specimen surface or near surface， where deformation twins were found after cyclic loading． Fatigue cracks also initiated at sample interior where higher content of Al and Mn were observed． Key words： magnesium alloy； very high cycle fatigue； crack initiation； tension twin
M6
0 . 75
R105 . 66
2mm
!4 !10
( a )
500!m
( b )
!5
50 70 . 4
10 . 2
20!m
( c )
Mn
( d )
图1
mm 超声疲劳样品的几何尺寸，
Mj Mn Mn 0 2 4 6 8 10 12 leV
2
2. 1
实验结果与分析
应力 － 寿命行为
150 140
&’()%MPa
图4 图2 循环应力 － 寿命曲线
镁合金疲劳断口的二次电子像
AZ31 合金的疲劳 S － N 曲线呈现连续下降形 ［2 ］ 态（ 图 2 ） ， 不存在所谓的疲劳极限。 用升降法 测 得材料 AZ31D 挤压棒材在 10 的疲劳强度 σ tx 为 90 ± 5MPa， 在较低的应力水平 下 材 料 的 疲 劳 寿 命 较 微观组织缺陷会对疲劳寿命的影响将被放大 ， 因 长， 而在低应力下的数据点更加分散 。
Super － long life fatigue behavior of extruded AZ31D magnesium alloy
Yin Shuming， Wang Chunhui， Zhao Shuzhe and Cheng Taimin
（ Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142 ）
汽车轻量化可以显著降低油耗， 实现节能减排 的双重作用， 因而 具有明显的经济效益和社会效 益。镁合金是目前得到实际应用的最轻金属结构材 料， 具有密度低， 比刚度比强度高， 减震效果好， 且易 因而得到了汽车相关 于加工和回收等一系列优点， 行业的高度重视。随着镁合金在汽车轮毂、 方向盘、 操纵杆、 齿轮箱、 车门及座椅等结构件上的应用， 镁 合金在汽车上的用量也在稳步增加 。由于某些结构 件在服役期间往往承受交变载荷的作用， 有的循环 8 9 而传统的低周 周次超过 10 次甚至能达到 10 次， 疲劳和高周疲劳的研究结果不能满足相关部件安全 性评估和构件寿命预测， 因而研究镁合金的超高周 对镁合金疲劳行为的 疲劳具有重要的意义。 目前， 研究， 主要集中在低周疲劳和高周疲劳 ， 超高周疲劳 方面的相关研究则较少， 这主要是受限于测试设备 加载频率， 传统疲劳试验机的加载频率一般不超过 200Hz， 如果以这样高的频率不间断运行， 一根试样 进行 10 疲劳实验需要两个月才能达到所要的循环 周次， 而超声疲劳的加载频率一般在 15kHz － 30kHz 之间， 一根样品的超声疲劳试验可以在 2 天以内完 成。超声疲劳试验机的发明和使用使得镁合金的超
。
由于 AZ31D 合金存在较强的拉 － 压屈服非对 称性， 在拉伸半周基面滑移和变形孪生都难以开动 ， 而在压缩半周， 变形孪生较容易开动， 导致材料局部 出现较大的塑性变形。但是需要注意的是在压缩半 周形成的孪晶在反向拉伸加载时其取向正好符合所 谓的反向孪生变形， 即退孪生。 由于变形孪晶在形 成的时候沿其界面会产生较大的应变梯度 ， 同时在 ， 循环变形过程中材料内部会不断累积位错 从而增 大进一步变形的阻力， 因此后续的孪生和退孪生不 合金中还会残留一些孪生片层， 可能完全相互抵消， 尹等利用扫描电镜 EBSD 技术原位观察技术证实了 ［4 ］ 镁合金的孪生 － 退孪生这一行为 。 我们知道材 料疲劳损伤是由其塑性变形不可逆性造成的 。在这 一过程中变形孪生可能主要有以下两个方面作用 ： （ 1 ） 变形孪晶边界附近由于存在较大应变梯度而容 易产生应力集中， 另外孪晶界对位错的阻碍也会导 这些应力集中如不能得 致位错塞积产生应力集中， 到有效释放则可能演化为裂纹。（ 2 ） 随着疲劳的进 行， 孪生 － 退孪生这一过程并不完全可逆， 这就导致 从而产生应变的局部 了循环塑性变形的不可逆性， 化而萌 生 裂 纹。 需 要 指 出 的 是 上 述 讨 论 不 限 于 AZ31D 合金， 而应该是对一般有强织构的变形镁合 金都是适用的。由于变形孪生所导致的循环变形不 可逆性可能对镁合金疲劳性能造成一定的不利影 响， 因此找出抑制变形孪生的产生或者从更广义的 角度抑制材料的拉伸压缩非对称性都可能会改善材 料的拉 － 压疲劳性能。据此我们可以相应的进行一 些材料的设计， 比如通过引入第二相粒子或者细化 晶粒来抑制孪生变形， 或调整材料的织构使得基面
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高周疲劳研究成为可能。 由于在铸造镁合金中存在微孔缩松等铸造缺 疲劳裂纹往往萌生于这些缺陷位置并进一步扩 陷， 展进而导致损伤失效， 不能反映出合金本身固有的 因而以挤压 疲劳性能； 挤压镁合金消除了铸造缺陷， 镁合金为研究材料能更好的反应出材料的疲劳性 能。本文选用工业上广泛应用的镁合金 AZ31D 挤 压棒材为研究材料， 研究其超高周疲劳行为。