耿長(zhǎng)建，武保林，劉 芳，佟文偉，韓振宇

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 材料應(yīng)用研究室，沈陽(yáng) 110015；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

AZ31B擠壓變形鎂合金低周疲勞行為研究

耿長(zhǎng)建1，武保林2，劉 芳1，佟文偉1，韓振宇1

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 材料應(yīng)用研究室，沈陽(yáng) 110015；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

分別研究了擠壓變形AZ31B鎂合金在非對(duì)稱載荷與對(duì)稱載荷下的疲勞行為，結(jié)果表明兩種加載方式下，疲勞過程隨著應(yīng)變幅的增加，滯回曲線的不對(duì)稱性均增強(qiáng)；在低應(yīng)變幅下，位錯(cuò)滑移為主要塑性變形機(jī)制；而在較高應(yīng)變幅下，孿生-去孿生為主要變形機(jī)制；同一應(yīng)變幅下，壓-壓非對(duì)稱低應(yīng)變幅疲勞壽命最長(zhǎng)，拉-壓對(duì)稱低應(yīng)變幅疲勞壽命次之，拉-拉非對(duì)稱低應(yīng)變幅疲勞壽命最短。

AZ31B鎂合金；滯回曲線；位錯(cuò)滑移；孿生-去孿生

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、良好的鑄造性能、較強(qiáng)的電磁屏蔽能力以及易于再生利用等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“2l世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿颓巴镜牟牧稀薄Ｆ浣Y(jié)構(gòu)件在汽車、飛機(jī)、計(jì)算機(jī)、通訊等領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于具有良好的延展率和較高的強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，AZ31B變形鎂合金是目前應(yīng)用最廣泛的擠壓變形鎂合金,被用在發(fā)動(dòng)機(jī)輸油管路及機(jī)匣中。不同的加載方向下，AZ31B變形鎂合金呈現(xiàn)各向異性。最近，許多對(duì)鎂合金在應(yīng)變控制的低周疲勞的研究表明，加載方式和樣品的織構(gòu)對(duì)其疲勞性能具有重要影響[4-10]。研究表明，鎂合金低周疲勞過程中每周期都發(fā)生孿生-去孿生行為，該行為在鎂合金疲勞中起重要作用[11-14]。然而，在以往的研究中，大都加載對(duì)稱性應(yīng)變幅進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)。同一應(yīng)變幅下，由對(duì)稱性應(yīng)變幅和非對(duì)稱性應(yīng)變幅控制的疲勞中產(chǎn)生的初始孿生種類、數(shù)量及產(chǎn)生機(jī)制大不相同。為了更清楚地了解不同加載方式下的低周疲勞過程中塑性變形機(jī)制與疲勞行為之間的關(guān)系，本文分別研究了對(duì)稱載荷、非對(duì)稱載荷下，不同應(yīng)變幅對(duì)AZ31B鎂合金的疲勞行為的影響，這對(duì)鎂合金材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文采用AZ31B鎂合金，其屬于Mg-Al-Zn系合金，是目前工業(yè)界使用較廣泛的一種變形鎂合金。合金中加入的Al元素可與Mg形成固溶體，因而可提高合金的力學(xué)性能，同時(shí)Al元素還可提高合金的耐腐蝕性，減小凝固時(shí)的收縮，改善合金的鍛造性能，增強(qiáng)鑄件強(qiáng)度。Zn是另一種有效的合金化元素，其在鎂合金內(nèi)也是以固溶體存在的，對(duì)合金性能的影響和Al相似，但當(dāng)Zn的質(zhì)量百分含量高于2%時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱裂現(xiàn)象，因而應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。加入Mn元素可提高鎂合金的韌性，還能改善鎂合金的耐腐蝕性能。合金中的鐵、銅、鎳等雜質(zhì)元素會(huì)降低合金的耐腐蝕性能，應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。故該合金成本較低。AZ31B的標(biāo)準(zhǔn)成分如表1。

表1 AZ31B鎂合金名義化學(xué)成分

將合金棒材加工成標(biāo)距長(zhǎng)度30 mm，標(biāo)距直徑6 mm，總長(zhǎng)度90 mm的軸向光滑疲勞試樣。EBSD樣品的電解拋光液為10% HClO4+90%乙醇，電壓為30～40 V，電流為1～2 mA，電解拋光的溫度為243 K。使用液氮作為制冷劑。拋光后，在酒精中反復(fù)沖洗以洗掉樣品表面殘留拋光液液，吹干后即可。在應(yīng)變控制的低周實(shí)驗(yàn)中，三角波能使應(yīng)變速率在整個(gè)循環(huán)拉壓過程中保持不變的狀態(tài)；采用軸向加載方式在MTS實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為擠壓退火AZ31B鎂合金軸向樣品的晶粒組織，由圖可知，晶粒為比均勻的等軸晶，晶粒平均尺寸為15 μm。

圖1 擠壓AZ31B鎂合金顯微組織

圖2為退火后棒材擠壓方向(ED)反極圖，可看到，織構(gòu)主要由強(qiáng)的<10-10>絲織構(gòu)組分和較弱的<11-20>絲織構(gòu)組分構(gòu)成，兩種組分的{0002}晶面都平行于ED。

圖2 原始樣品反極圖

圖3為合金在不同應(yīng)變幅下的應(yīng)力幅-循環(huán)周次曲線。從圖3(a)中可以看出，在壓-壓非對(duì)稱載荷下，除了1.0%的應(yīng)變幅外，在其它應(yīng)變幅變形條件下，應(yīng)力幅隨著循環(huán)周次的增加均明顯增大，并且應(yīng)變幅越大，增大率越大。這表明在0.75%應(yīng)變幅及以下，合金呈現(xiàn)出一種連續(xù)的循環(huán)硬化特性，并且硬化率隨著應(yīng)變幅的增加而增大；由圖3(b)中可以看出，在拉-拉非對(duì)稱載荷下，在低應(yīng)變幅(0.3%)時(shí)，材料在疲勞初期呈現(xiàn)出輕微的循環(huán)硬化后，應(yīng)力幅隨著循環(huán)周次的增加基本保持不變。隨著應(yīng)變幅的增加，材料在整個(gè)疲勞過程中呈現(xiàn)出弱循環(huán)硬化；由圖3(c)中可以看出在拉-壓對(duì)稱載荷下，在0.25%應(yīng)變幅下的疲勞起始階段，應(yīng)力幅隨著循環(huán)周期的增加而增加，然后應(yīng)力幅基本保持不變。在其它應(yīng)變幅條件下，應(yīng)力幅均隨著循環(huán)周次的增加而明顯增加。

圖3 不同加載方式下，不同應(yīng)變幅下應(yīng)力幅-循環(huán)周次曲線

圖4給出了不同應(yīng)變幅下第100周次的真應(yīng)力-真應(yīng)變滯回曲線?？梢钥闯?，在應(yīng)變幅低，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線形狀幾乎是對(duì)稱的；然而隨著應(yīng)變幅的增加，曲線開始出現(xiàn)不對(duì)稱性，這說明滯回曲線的形狀與應(yīng)變幅有密切關(guān)系。同時(shí)我們還可以看出，不對(duì)稱滯回曲線對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值的變化也是不對(duì)稱的。

圖4 不同應(yīng)變幅下第100周期的真應(yīng)力-真應(yīng)變滯回曲線

3 分析討論

由于應(yīng)力越大對(duì)材料造成的破壞越大，所以從圖3中可見，應(yīng)變幅越大，循環(huán)壽命越短。一般認(rèn)為，循環(huán)硬化是由于位錯(cuò)密度的增加和位錯(cuò)與位錯(cuò)之間以及位錯(cuò)與析出相之間相互作用的增強(qiáng)而造成的，隨著應(yīng)變幅的增加，更多的位錯(cuò)滑移和孿生開動(dòng)，從而對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生上述影響。另外，晶界滑移對(duì)塑性變形具有重要貢獻(xiàn)，因?yàn)榫Ы缁瓶梢哉{(diào)整塑性應(yīng)變的各向異性以及使晶界處的應(yīng)力集中得到釋放。低應(yīng)變幅下應(yīng)變硬化不明顯的原因是低應(yīng)變幅下晶界滑移和滯彈性起主要作用，而高應(yīng)變幅下位錯(cuò)滑移和孿生-去孿生起主要作用。據(jù)文獻(xiàn)[15]所述，低應(yīng)變幅下疲勞裂紋的產(chǎn)生主要是位錯(cuò)滑移的原因，而高應(yīng)變幅下裂紋的產(chǎn)生主要是孿生-去孿生的原因。

由圖4可知，真應(yīng)力-真應(yīng)變滯回曲線的形狀與總應(yīng)變幅有密切關(guān)系。Zenner和Renner[16]指出，鎂合金拉伸過程和壓縮過程中滯回曲線的不對(duì)稱性主要取決于織構(gòu)和壓縮過程中的孿生及反向拉伸過程中去孿生的初始屈服應(yīng)力大小。需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在低應(yīng)變幅下，位錯(cuò)滑移為塑性變形的主要機(jī)制，這就是低應(yīng)變幅下滯回曲線為對(duì)稱性的原因。如上所述，高應(yīng)變幅下孿生-去孿生為主要變形機(jī)制，然而由于存在內(nèi)應(yīng)力的原因，去孿生在卸載的過程中即可發(fā)生。這種情況下，仍需要位錯(cuò)滑移來調(diào)整應(yīng)變，特別是在拉伸過程中的去孿生后階段，位錯(cuò)滑移具有較大的作用[17]。這將導(dǎo)致滯回曲線的不對(duì)稱和較高的最大拉應(yīng)力。另外，最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力隨著應(yīng)變幅的增加而呈現(xiàn)不對(duì)稱增加也與該變形機(jī)制有關(guān)。

一般來說，如果材料在非對(duì)稱應(yīng)變循環(huán)變形條件下(Ra=0或Ra=-∞)，其應(yīng)力變化與對(duì)稱應(yīng)變循環(huán)變形條件下的應(yīng)力變化有所差異。圖5(a)為材料在拉-拉循環(huán)變形條件下(Ra=0)的應(yīng)力隨應(yīng)變變化示意圖。在小應(yīng)變幅下，拉伸開始階段，首先發(fā)生彈性形變，然后是彈塑性變形至a點(diǎn)。卸載后，發(fā)生回彈，應(yīng)力降為零，但殘留有小的塑性應(yīng)變。此時(shí)，若將應(yīng)變回復(fù)到零，需要有壓縮應(yīng)力形成反向加載，所需要的壓縮應(yīng)力的大小取決去殘留塑性應(yīng)變的大小和反向壓縮過程中材料的屈服應(yīng)力大小。由于在小應(yīng)變幅下發(fā)生的塑性應(yīng)變極小，所以從a到b的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為線性，該過程為彈性應(yīng)變。在接下來的循環(huán)變形過程中，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)將沿著圖中所示的紅色直線在a、b之間往復(fù)進(jìn)行。然而在大應(yīng)變幅下的循環(huán)變形過程中，在拉伸初始階段發(fā)生彈性應(yīng)變后，從a到c發(fā)生較大的彈塑性應(yīng)變。卸載后，發(fā)生回彈，應(yīng)力降為零，但殘留的塑性應(yīng)變比較大，若將應(yīng)變回復(fù)至零，需要較大的壓縮應(yīng)力。然而，在該過程中卻有可能發(fā)生塑性屈服，屈服應(yīng)力的大小取決于塑性變形的大小和是否發(fā)生包申格效應(yīng)[18-20]。理想情況下，從c到d發(fā)生彈性應(yīng)變，在d點(diǎn)發(fā)生屈服，而從d到e為彈塑性應(yīng)變。在接下來的卸載和反向拉伸過程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從e到f為線性，為彈性過程，而從f到c為非線性，為彈塑性過程，由f到c，構(gòu)成c-d-e-f-c滯回曲線。

圖5(b)為壓-壓循環(huán)變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線。在小應(yīng)變幅下，壓縮初始階段發(fā)生彈性應(yīng)變，然后彈塑性形變至a點(diǎn)。卸載后，應(yīng)力減小至零，此時(shí)，存在較小的殘余塑性應(yīng)變。由于殘余應(yīng)變很小，反向拉伸為彈性應(yīng)變，從a點(diǎn)到b點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線完全呈線性，即此過程為完全彈性變形。在接下來的循環(huán)變形過程中，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)將沿著圖中所示的紅線在a、b之間往復(fù)進(jìn)行。在大應(yīng)變幅循環(huán)變形過程中，壓縮過程發(fā)生彈性應(yīng)變后，從a到c發(fā)生了較大彈塑性應(yīng)變。卸載后應(yīng)力減小為零，此時(shí)，有較大殘余塑性應(yīng)變。較大殘余塑性應(yīng)變的消除需要較大的拉伸應(yīng)力，在拉伸過程中可發(fā)生塑性屈服。c到d為彈性應(yīng)變，而從d到e發(fā)生的是彈塑性應(yīng)變。在第二次壓縮過程中，從e到f為線性，為彈性過程，從f到c非線性，發(fā)生彈塑性應(yīng)變，構(gòu)成c-d-e-f-c滯回曲線。因?yàn)樵谛遁d過程中由于不同取向晶粒間的內(nèi)應(yīng)力作用導(dǎo)致了包申格效應(yīng)，從而發(fā)生了去孿生行為[21-23]，其中也包含了滯彈性的作用。

圖5 低應(yīng)變幅和高應(yīng)變幅下第一周期滯回曲線示意圖

圖6為拉-壓對(duì)稱載荷下疲勞樣品的透射電鏡照片，由圖6(a)看出在0.25%低應(yīng)變幅下疲勞樣品中有許多位錯(cuò)，并且有的位錯(cuò)之間相互交錯(cuò)成網(wǎng)狀，而在0.75%較高應(yīng)變幅下疲勞樣品中同時(shí)有許多孿生和位錯(cuò)(如圖6(b)所示)；對(duì)于拉-拉、壓-壓力非對(duì)稱載荷下，也得出了相同結(jié)論即較低應(yīng)變幅下位錯(cuò)滑移為主要塑性變形機(jī)制，而在較高應(yīng)變幅下孿生-去孿生和位錯(cuò)滑移為主要塑性變形機(jī)制。

圖6 疲勞樣品的透射電鏡照片

圖7 壓-壓非對(duì)稱載荷下，1.0%應(yīng)變幅下變形組織取向成像圖及其相應(yīng)的取向差分布圖

一般認(rèn)為，鎂合金疲勞過程中孿生與去孿生機(jī)制的交替是低周疲勞過程中的重要變形機(jī)制。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在起初的壓縮過程中發(fā)生了孿生行為，但緊接下來的卸載和反向拉伸過程中去孿生行為并不完全。圖7分別給出了壓-壓非對(duì)稱載荷下，第一次壓縮和卸載、反向拉伸后的變形組織的EBSD取向圖及其相應(yīng)的取向差分布圖譜。由圖7(a)和7(b)可以看出，大部分孿晶的類型為{10-12}<10-11>拉伸孿晶(用深紅線標(biāo)示)，與基體之間的取向差為<11-20>86°。

4 結(jié) 論

(1)由于加載方式不同，在不同應(yīng)變幅下應(yīng)力幅-循環(huán)壽命曲線呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。

(2)疲勞過程中壓縮和拉伸階段不同的塑性變形機(jī)制是滯回曲線不對(duì)稱的主要原因，并且隨著應(yīng)變幅的增加，不對(duì)稱性增強(qiáng)。

(3)在低應(yīng)變幅下，位錯(cuò)滑移為主要塑性變形機(jī)制；而在較高應(yīng)變幅下，孿生-去孿生為主要變形機(jī)制。

(4)同一應(yīng)變幅下，壓-壓非對(duì)稱低應(yīng)變幅疲勞壽命最長(zhǎng)，拉-壓對(duì)稱低應(yīng)變幅疲勞壽命次之，拉-拉非對(duì)稱低應(yīng)變幅疲勞壽命最短。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

StudyonthelowcyclefatiguebehaviorofextrudedAZ31Bmagnesiumalloy

GENG Chang-jian1,WU Bao-lin2,LIU Fang1,TONG Wen-wei1,HAN Zhen-yu1

(1.Application materials research Laboratory,AICC Shenyang Engine Design and Research Institute Shenyang 110015,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The paper focuses on the low cycle fatigue behavior of AZ31B magnesium alloy under symmetric and asymmetric loading.The results show that the asymmetry of the hysteresis is enhanced with strain amplitude increasing.At lower strain amplitude,dislocation slip is the dominant plastic deformation mechanism responsible for cyclic hardening.At high strain amplitude,twinning-detwinning is the key deformation mechanism.During the cyclic fatigue,the elastic strain of the tensile process is larger than that of compressive process.At the same strain amplitude,the longest fatigue life is under incompressive-compressive asymmetric loading,followed by that under the tensile-compressive symmetric loading,and the shortest is under the tensile-tensile asymmetric loading.

AZ31B magnesium alloy;hysteresis loop;dislocation slip;twinning-detwinning

2014-05-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51171120；090202001)

耿長(zhǎng)建(1980-)，男，山東聊城人，博士，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料疲勞行為及微觀變形機(jī)制研究，E-mail:gengchangjian2008@163.com。

2095-1248(2014)04-0044-06

V252.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.009