AZ31鎂合金疲勞行為研究.pdf

1、鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有高的比強(qiáng)度、比剛度、減振性、導(dǎo)熱性、可切削加工性和可回收性,因而被稱為21世紀(jì)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(gòu)件應(yīng)運(yùn)而生,部分代替了塑料、鋁合金甚至鋼鐵材料,預(yù)計(jì)鎂合金將成為本世紀(jì)最重要的商用輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料之一。目前,鑄造鎂合金應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)已取得較大突破,產(chǎn)業(yè)化已初具規(guī)模。研究結(jié)果表明,變形鎂合金無論在強(qiáng)度還是韌性方面均遠(yuǎn)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(diǎn)。作為結(jié)構(gòu)材料,鎂合金必然會(huì)受到循環(huán)應(yīng)力/應(yīng)變作用,為了其安全應(yīng)用,需要了解其疲勞行為及失效機(jī)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(zhì)模型,忽略了鎂合金獨(dú)特的變形機(jī)制特點(diǎn)。AZ31鎂合金獨(dú)特的hcp晶格結(jié)構(gòu),導(dǎo)致孿生成為其重要的變形機(jī)制之一。但目前的研究,一般將位錯(cuò)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(shí)上,孿生在一定條件下可以成為疲勞變形主要的變形機(jī)制,同時(shí)通過改變晶粒取向?yàn)?/p>

3、位錯(cuò)的進(jìn)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(gòu)、應(yīng)變率、晶粒尺寸和預(yù)先引入的孿晶等。采用x射線衍射技術(shù)確定鎂合金織構(gòu),沿特定取向切割試樣,研究孿生與位錯(cuò)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(shí)驗(yàn)

4、,產(chǎn)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(xì)化鎂合金,抑制孿晶的產(chǎn)生,研究細(xì)晶對鎂合金疲勞性能的影響規(guī)律;采用預(yù)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(jié)論:
　　 (1)當(dāng)鎂合金以孿生為主要變形機(jī)制時(shí),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(dǎo)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(cuò)主導(dǎo)試樣的的四倍,由此導(dǎo)致了孿生主導(dǎo)試樣斷口較為粗糙,而位錯(cuò)

5、主導(dǎo)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(yīng),孿生主導(dǎo)試樣具有較高的疲勞壽命。
　　 (2)恒應(yīng)力幅對稱高周疲勞條件下,隨著疲勞的進(jìn)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(yīng)變峰值隨疲勞進(jìn)行逐漸變小,在約200周時(shí)反向,表現(xiàn)為拉伸應(yīng)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(kuò)展。
　　 (3)低于0.2％的應(yīng)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(yīng)變幅時(shí),頻率對疲勞壽命影響不大。疲勞壽命的增加源于低應(yīng)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(yīng)變疲勞條件下表現(xiàn)出循環(huán)軟化行為,且隨著應(yīng)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(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。等徑角擠壓變形造成了AZ31鎂合金內(nèi)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(jié)晶,并使得再結(jié)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(yīng)變能,由此提高了鎂合金的低周疲勞壽命,其彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅與斷裂時(shí)的載荷反向周次之間的關(guān)系可分別采用Basqmn和Coffin-Manson公式描述。
　　 (5)無預(yù)壓縮鎂合金在拉伸階段以位錯(cuò)滑移為主要變形機(jī)制,在壓縮階段以孿生為主要變形機(jī)制,而預(yù)壓縮變形改變了拉伸和壓縮階段的變形機(jī)制,并導(dǎo)致了平均應(yīng)力的改變。在高應(yīng)變幅下