变形镁合金疲惫行为的研究.docx

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1、变形镁合金疲惫行为的研究摘要:从疲惫循环变形响应行为、疲惫寿命、疲惫裂纹萌生与扩展等方面，综述了变形镁合金疲惫行为的研究现状，重点介绍了加载条件、环境、外表状态等对变形镁合金疲惫性能的影响，指出添加稀土元素，进行喷丸、外表滚压处理和合理的热处理可提高变形镁合金的疲惫强度，延长疲惫寿命，并分析了各种方法的优劣。对变形镁合金疲惫研究的发展方向进行了瞻望。关键词:变形镁合金;疲惫性能;循环变形;疲惫寿命镁合金具有密度小，比强度和比刚度高，铸造性能、电磁屏蔽和减震性能好等特点，是当今工业产品应用中增长速率最快的一种金属材料1。与铸造镁合金相比，经过挤压、锻造、轧制等塑性成形方法加工的变形镁合金具有更高

2、的强度和更好的延展性，能够知足更多样化构造件的需求。镁合金构造件在服役经过中不可避免地承受循环载荷，发生疲惫损伤;疲惫损伤积累到一定程度后会导致构造件发生疲惫断裂。而由于其具有的密排六方晶体构造，变形镁合金在挤压或轧制等经过中会构成很强的基面织构，导致力学性能的不对称性2。这一不对称性会引起不可逆的循环变形，进而对构造件的疲惫性能产生不良影响。因而，基于安全性及可靠性要求，镁合金的循环变形及疲惫性能研究显得尤为重要。近年来，各国学者对变形镁合金疲惫行为的研究较多，研究内容主要集中在其低周疲惫行为、高周疲惫行为以及疲惫性能强化等方面，而对其疲惫损伤尤其是在腐蚀环境中的疲惫损伤、疲惫裂纹扩展机理与

3、孪生-去孪生关系，以及寿命预测等的研究较为缺乏。为了给相关研究人员提供参考，作者对近年来变形镁合金疲惫行为的研究现状进行了综述，并指出了后续研究的重点及方向。1变形镁合金的疲惫与断裂11循环加载的响应行为镁合金独特的晶体构造使其在室温下的主要变形方式为基面滑移和拉伸孪生。孪生具有极性，只要沿c轴方向拉伸时才能启动2。变形镁合金在挤压或轧制等经过中会构成很强的织构，大部分晶粒的c轴垂直于挤压或轧制方向。由此可见:对于承受拉-压载荷的变形镁合金在沿挤压或轧制方向拉伸时，孪生难以开动，表现出较高的屈从强度;而沿挤压或轧制方向压缩时，有利于孪生，此时孪生决定屈从强度。因而，镁合金的压缩屈从强度低于拉伸

4、屈从强度，即拉压屈从强度不对称。在高应变幅循环加载时，变形镁合金的主要塑性变形机制为孪生-去孪生，而低应变幅下的主要为位错滑移3。近年来，变形镁合金在低周疲惫经过中的循环变形行为研究较多，研究人员常借助应力-应变滞回曲线、应力幅-循环周次曲线、塑性应变幅-循环周次曲线及平均应力-循环周次曲线等来分析循环加载经过中的微观变形机制4-5。变形镁合金在循环加载经过中会表现出循环硬化、循环软化及循环稳定等3种行为，如轧制AZ31镁合金6及挤压ZA811M镁合金7在不同的应变幅下均表现出循环硬化行为，NZ30K镁合金在低应变幅下表现出循环软化行为而在高应变幅时表现出循环硬化行为8，GW123K镁合金9及

5、GW103K镁合金10则表现出循环稳定行为。对于这3种行为，PAK等11以为循环硬化是由位错密度增加，以及位错与位错之间、位错与沉淀相间的交互作用引起的，循环软化则是由位错的湮没引起的。BEGUM等12指出，循环硬化速率的提高与残余孪晶数量的增加有关，残余孪晶会阻碍位错滑移，导致位错塞积。MIZA等8则以为:导致循环硬化的因素除了位错间的交互作用外，还有孪生作用;孪生变形后，取向的变化阻碍位错滑移，产生位错塞积，进而促进了循环硬化。YIN等13在研究挤压AZ31镁合金的循环变形行为时发现，循环硬化在拉、压方向并不对称，并以为该现象与两种因素有关:一是压缩经过中的主要变形机制为孪生，拉伸方向为滑

6、移方向，而孪晶的运动阻力比滑移的要小;二是压缩方向存在循环蠕变。12疲惫寿命的计算公式常规工程材料的疲惫寿命遵循Basquin和Coffin-Manson公式，然而变形镁合金的变形机制更为复杂，在一般疲惫条件下存在着平均应力。在考虑到平均应力的条件下，MATSUZUKI等14绘出了恒塑性应变幅条件下AZ31镁合金的Coffin-Manson曲线，结果表明塑性应变幅与疲惫寿命呈现出两段线性关系，不同的变形形式导致了不同塑性应变幅区的线性关系。HASEGAWA等15发现:在应力控制形式下，AZ31镁合金的疲惫寿命能够采用Coffin-Manson公式描绘，但是由于拉压的不对称性，在应变控制形式下，

7、镁合金的疲惫寿命偏离了Coffin-Manson关系;用Morrow模型、SWT模型、Lorenzo模型分别对AZ31镁合金的疲惫寿命进行修正后，建立了AZ31镁合金在应力/应变控制形式下的疲惫寿命计算公式。YU等16在对挤压AZ61A镁合金研究时发现，在不同应变比加载条件下，由原SWT模型及修正后的SWT模型得到的疲惫寿命与试验结果均能很好地吻合。最近，有研究人员开场选用基本保持恒定的能量作为疲惫损伤参数来表征镁合金的疲惫寿命6-7，17。PAK等6计算了轧制AZ31镁合金不同方向的疲惫应变能参数。图中Wp为塑性应变能密度(即每个循环周期塑性应变能)，Wt为总应变能密度(即每个循环周期塑性应

8、变能与拉伸弹性应变能之和)，D为轧制方向，ND为轧面的法向。由图1能够发现:沿D和ND加载的试样，其塑性应变能密度与疲惫寿命均呈线性关系，但计算疲惫寿命所用参数不同;总应变能(考虑平均应力效应)密度也与疲惫寿命呈线性关系，并且不需要区分疲惫方向，能够用统一的参数计算镁合金的疲惫寿命。总体来讲，有关镁合金疲惫寿命预测的研究较少，涉及的镁合金种类也不多，且研究不够系统和深化，尤其是在非对称载荷等复杂工况下的疲惫寿命预测研究较为欠缺。13疲惫裂纹萌生与扩展行为变形镁合金的疲惫裂纹通常萌生于材料外表的滑移带、析出相及孪晶带处18-19。裂纹扩展是通过小裂纹的合并而进行的，扩展途径为穿晶或沿晶，断口形貌

9、兼有层片状组织及韧窝特征20。光滑试样在进行高周疲惫试验时，裂纹萌生阶段占整个疲惫寿命的大部分，因而很多研究着眼于裂纹萌生行为，以及疲惫经过中的变形机制等。也有研究以为，由于实际构件不可避免地存在缺陷，而这些缺陷会成为裂纹的起源，因而裂纹萌生阶段所占比例较小，而裂纹扩展阶段占比拟大。BEGUM等12从3个方面阐述了孪晶在疲惫裂纹萌生经过中的作用，并指出对于有特定织构的变形镁合金，可通过细化晶粒，改变变形形式以减少不可逆的循环变形，进而提高其疲惫性能;在较高应变速率下，裂纹萌生阶段较短，裂纹扩展阶段更长，导致其疲惫寿命延长。目前，对裂纹扩展行为的研究多集中在材料组织、加载方式以及环境条件对裂纹扩

10、展行为的影响方面，已获得了一些试验性结论，并逐步发展了复杂工况下的扩展模型。然而这些模型主要是为了拟合相应的试验数据而提出的，对复杂加载条件及其他材料的适用性不是很好。2变形镁合金疲惫性能的影响因素21加载条件211加载频率、应变速率关于应变速率对疲惫行为影响的研究并不多，研究结果也不尽一样。DUAN等21指出，高的应变速率更有助于促进孪生-去孪生行为，抑制位错滑移，进而降低循环硬化速率并延长疲惫寿命。WANG等22则发现应变速率越高，循环硬化速率、应力幅和平均应力越高，疲惫寿命越短。武艳军23指出:在较低的应变幅下，提高加载频率能够延长镁合金疲惫寿命，而在较高的应变幅下，频率对疲惫寿命的影响

11、不大;疲惫寿命的提高是由于在低应变幅、高频率下，孪晶的数量增加。212应变比、应力比对变形镁合金进行疲惫研究时多采用完全反向的拉-压载荷进行加载，但最近也有采用非对称载荷进行加载的报道12，16，24-25。BEGUM等12研究了应变幅为04%时，不同应变比(25)对挤压AZ31和AM30镁合金疲惫行为的影响，发现较低的应变比易产生较强的循环硬化。YU等16研究了AZ61镁合金在应变比为0，1，时的疲惫行为，发现随着应变比的降低，循环硬化加强，应力幅、平均应力降低，疲惫寿命延长。XIONG等24研究时同样发现，随应变比降低，AZ31B镁合金的疲惫寿命延长，不同应变条件下得到的应变-疲惫寿命曲线

12、中都存在一个非常明显的拐点，该点为变形机制转变点。SHIOZAWA等26研究发现，在高周疲惫试验经过中，当应力比为0时，AZ61F镁合金、AZ80F镁合金和时效态挤压AZ80镁合金的应力-疲惫寿命曲线均存在明显的疲惫极限，而应力比为1和15时，应力-疲惫寿命曲线的中间部分均出现了平台区。LIN等27在对轧制AZ91镁合金进行低周疲惫试验时发现，随着应力比(0404)的增大，该镁合金吸收的总应变能减小，因此疲惫性能提高。213加载方向对于轴向加载的变形镁合金，沿试样的不同方向加载时，其疲惫特性也有很大差异28-32。ISHIHAA等28发现，沿挤压方向加载的试样相对于沿垂直于挤压方向加载的，表现

13、出了更高的疲惫强度和更长的疲惫寿命，这是由于沿挤压方向的棒状构造降低了疲惫裂纹扩展速率，提高了裂纹扩展的门槛值，而垂直于挤压方向加载的试样，其裂纹萌生位置不存在棒状构造。LV等29在研究AZ31镁合金时发现:沿垂直于轧制方向加载的试样，无论是在应力控制还是在应变控制下，其疲惫寿命都要高于沿轧制方向加载试样的，这是由于前者的强度和伸长率都要高于后者的。PAK等30则以为，与沿轧制方向压缩的相比，沿垂直于轧制方向拉伸时的孪生应力更低，产生的塑性应变所造成的疲惫损伤更大，因此试样的疲惫寿命更短。214应力幅、应变幅应力及应变幅的增大将会导致镁合金疲惫性能的降低22，33-34。WANG等22发现，随

14、应变幅增大，AZ80镁合金的应力幅增大，循环硬化速率也增大。这主要是由于:当应变幅较高时，除位错促进循环硬化外，残余孪晶也会加速循环硬化经过;在低应变幅下，正的平均应力随应变幅增大而降低，而在高应变幅下，正的平均应力先减小后增大。CHEN等34在对热轧AZ91镁合金进行低周疲惫试验时发现，当应力幅增大时，残余孪晶所产生的不可逆塑性变形量增大，由此引起的疲惫损伤及晶格畸变增加，导致了镁合金疲惫性能的下降。22环境环境对镁合金的疲惫性能有着显著影响35-39。当处于腐蚀环境，如在NaCl溶液中时，镁合金的疲惫寿命明显缩短;疲惫寿命随合金状态、成分，以及腐蚀溶液浓度等的变化而变化。UEMATSU等3

15、8研究了AZ80、AZ61、AM60等3种镁合金在实验室空气及蒸馏水两种环境中的腐蚀疲惫性能，发现:在实验室空气环境中，AZ80镁合金因铝元素含量较高，在低应力幅下其裂纹主要萌生于循环滑移变形处，因此具有最高的疲惫强度;在腐蚀环境中，3种合金的疲惫强度非常接近。NAN等39研究了AZ31镁合金在质量分数为3%的NaCl溶液中的疲惫行为，发现:在腐蚀环境中，镁合金的疲惫寿命明显缩短;镁合金的腐蚀疲惫分为两个阶段，一是腐蚀坑的增长及裂纹在此处的萌生，二是疲惫裂纹的扩展;当应力幅较低时，在整个疲惫寿命周期中，有70%80%的时间都在进行腐蚀坑的增长。温度的高低对镁合金疲惫性能也有着不同的影响。SAJ

16、UI等40在研究中发现，挤压AZ61镁合金在20和50时的疲惫性能没有明显变化，但当温度升高到150时，疲惫强度显著降低。ZENG等41研究了挤压AZ61镁合金在60和120时的疲惫裂纹扩展行为，结果表明，随着温度的升高，疲惫裂纹扩展速率增大，断裂形式由穿晶与沿晶混合断裂转变为穿晶断裂，同时显微组织中出现了位错滑移带，发生了变形孪晶及晶粒的长大。GINBEG等42研究时则发现，当温度从20降低到120时，MA12镁合金的疲惫寿命延长，疲惫裂纹尖端塑性区尺寸减小，疲惫裂纹扩展速率降低。23外表状态变形镁合金的缺口敏感性很大，尤其是在较高应力幅下，疲惫性能对外表“缺口(如外表划痕)尤为敏感。假如试

17、样外表较为粗糙，在循环变形经过中，一些外表缺陷成为疲惫裂纹源，导致疲惫强度的降低。因而，镁合金的疲惫试验所用试样一般都需进行外表抛光处理。抛光处理能够降低外表粗糙度，减少外表缺陷的数量，降低疲惫缺口敏感性，进而提高镁合金的疲惫强度和疲惫寿命。然而在应用中，实际构造件的外表粗糙度不可能到达疲惫试验对试样的精度要求。目前，关于外表状态对疲惫性能影响的研究多集中在钢及钛合金材料上，而在镁合金材料上的研究鲜有报道。3提高变形镁合金疲惫性能的方法31添加稀土元素大量研究均表明，稀土元素如钆、钇、铈及钕等的添加会弱化变形镁合金中的织构，使大部分晶粒的取向更为自由随意，进而改善变形镁合金拉伸和压缩屈从强度的

18、不对称性，提高力学性能43。近十年来，对含稀土镁合金循环变形及疲惫性能的研究报道很多10，44-48。ZHU等44发如今一样的外加应变幅下，GW102K稀土镁合金的疲惫寿命要显著高于AZ31镁合金的，两种合金的总应变幅与疲惫寿命在试验范围内均呈近似线性关系，如图2所示。固然高稀土含量能够显著提高镁合金的疲惫性能，但成本较高。MOKDAD等10研究了低稀土钕含量的ZEK100稀土镁合金的疲惫性能，并与不含稀土的AZ31、AM30镁合金进行了比照，发现ZEK100稀土镁合金兼具较高的强度与较好的延性。32热处理热处理能使镁合金中析出沉淀相，进而有效提高镁合金的力学性能，改善其疲惫性能。ADAMS等

19、49在对热轧WE43镁合金进行超高周疲惫试验时发现，经T5(20448h)、欠时效及过时效处理后，镁合金在循环109周次时的疲惫强度相差较大，分别为110，65，65MPa，但平均裂纹扩展速率变化不大。DONG等50对Mg-10Gd-3Y镁合金在5种热处理状态下的疲惫性能进行了比照，发现时效处理可提高合金的疲惫强度和疲惫寿命，且峰时效的强化效果最好，疲惫强度提高了10%，但T4及T6热处理后的疲惫强度及寿命比初始挤压态合金的更差，疲惫强度降低了27%。LIU等51研究发现，ZK60镁合金在经T5处理后疲惫强度提高了7%，但是经应力幅较大的低周疲惫时，热处理对疲惫强度的提高效果不是很明显。MAT

20、SUZUKI等14比照了挤压态AZ31镁合金及其经3501h空冷热处理后的疲惫行为，发现两种状态合金的循环应力响应行为及应力-应变滞回曲线并无太大区别，前者的疲惫寿命要略高于后者的。总体来讲，优化的时效处理工艺可提高镁合金的疲惫性能，但提高的幅度不是很大。33外表形变强化外表形变强化是指在工件近外表引入残余压应力来阻碍裂纹形核及扩展，进而提高工件疲惫强度、延长疲惫寿命的一种方法。喷丸和外表滚压是两种常用的外表形变强化方法，能有效提高镁合金的疲惫强度。ZHANG等52研究发现，喷丸处理能够使AZ80变形镁合金缺口试样的疲惫强度从45MPa提高到110MPa，提高约144%，并且对缺口试样疲惫强度

21、提高的程度要高于对光滑试样的。但也有研究53发现，喷丸处理不能改善镁合金在NaCl溶液中的腐蚀疲惫行为。外表滚压处理可将AZ80镁合金的高周疲惫强度从100MPa提高到210MPa，提高约110%，疲惫寿命也明显延长54。外表滚压处理也能显著改善变形镁合金在NaCl溶液中的疲惫性能55。4结束语早期有关变形镁合金疲惫行为的研究主要集中在其宏观循环变形行为、疲惫寿命及疲惫断裂行为等方面，并且仅仅是一些试验性的结论。随着镁合金应用范围的扩大，近几年研究的重点转向镁合金疲惫变形的微观机制、疲惫变形诱发的微观构造演化及其与镁合金疲惫行为之间的关系、孪晶在镁合金疲惫变形及断裂经过中的作用等方面。尽管有关变形镁合金疲惫行为的研究很多，涉及的内容也比拟广泛，然而其研究理论还不够成熟、完善。疲惫寿命预测模型的完善、非对称循环变形行为的控制机制、疲惫裂纹扩展机制与孪生-去孪生的关系研究，腐蚀疲惫行为研究，以及已有研究成果的工程化应用等，是将来变形镁合金疲惫研究发展的重要方向。