王長義

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實習(xí)實訓(xùn)中心，沈陽 110161)

0 引言

鎂合金密度約為1.81 g/cm3，比鋁合金輕36%，比鋅合金輕73%，比鋼輕77%，且比強(qiáng)度和比剛度高，并具有較好的減振性，因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域［1-2］。由于目前約90%以上的鎂合金零部件均采用壓鑄工藝生產(chǎn)，而AZ91HP 鎂合金是壓鑄鎂合金中強(qiáng)度最高、耐腐蝕性最好、應(yīng)用最廣的一個合金牌號，其壓鑄件可以通過熱處理強(qiáng)化;因此，研究壓鑄AZ91HP 鎂合金的力學(xué)性能尤為重要。

眾所周知，疲勞裂紋擴(kuò)展速率是鎂合金零件設(shè)計和使用的重要參考指標(biāo)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率的試驗也是揭示材料疲勞破壞機(jī)理的有效方法［3-4］。以往有關(guān)鎂合金的疲勞試驗數(shù)據(jù)很多，但大多是關(guān)于應(yīng)力或應(yīng)變幅控制疲勞壽命的報道［5-8］，關(guān)于疲勞裂紋擴(kuò)展方面的研究報道并不多［9-12］。本研究開展壓鑄態(tài)AZ91HP 鎂合金在壓鑄態(tài)(AZ91HP-F)、固溶處理(AZ91HP-T4)、固溶-時效處理(AZ91HP-T6)3 種熱處理狀態(tài)下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為、斷口組織與斷裂機(jī)制的研究，目的是尋找熱處理對AZ91HP 壓鑄鎂合金疲勞特性的影響，期望對鎂合金的實際應(yīng)用，特別是在汽車上的應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗材料及方法

試驗原始材料為AZ91HP 鎂合金，化學(xué)成分見表1。試驗采用的主要壓鑄工藝參數(shù):熔化溫度為670 ℃，壓鑄模具溫度為220 ℃，金屬充型速度為80 m/s，凝固時的靜壓力為70 MPa。壓鑄件的平均實測密度為1.77 g/cm3，其規(guī)格為150 mm×100 mm×5 mm 的薄板。固溶工藝(T4處理)是將表面保護(hù)的試樣緩慢加熱至415 ℃，保溫8 h，然后在空氣中冷卻至室溫;固溶處理后的人工時效是將T4處理試樣重新加熱至180 ℃，保溫24 h，然后在空氣中冷卻至室溫(T6處理)。

表1 AZ91HP 合金試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ %)Table 1 Chemical composition of AZ91HP alloy (mass fraction/%)

根據(jù)ASTM E647—2011，將壓鑄薄板制成標(biāo)準(zhǔn)的緊湊拉伸試樣(C(T)試樣)，如圖1 所示。為了不破壞鑄態(tài)截面和外表面，試樣的2 個側(cè)面僅用細(xì)砂紙進(jìn)行拋光。疲勞裂紋擴(kuò)展試驗是在應(yīng)力比R=0.5 和頻率為50 Hz 時，應(yīng)用EHF-FB01-4LA 型電液疲勞試驗機(jī)(最大載荷為±1.5 kN)測量鎂合金在3 種熱處理狀態(tài)下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。采用JXD-2 型50 mm 讀數(shù)顯微鏡測量裂紋的長度。疲勞門檻值ΔKth的測量按逐級降載法進(jìn)行。求出應(yīng)力強(qiáng)度因子，作log (da/dn)-log (dk)曲線，在掃描電鏡下觀察斷口微觀組織，探索裂紋擴(kuò)展機(jī)理。

圖1 疲勞裂紋擴(kuò)展試樣Fig.1 Fatigue crack propagation specimen

2 分析與討論

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率測試

對AZ91HP-F、AZ91HP-T4和AZ91HP-T6試樣疲勞裂紋長度隨時間的變化進(jìn)行測試，并將試樣參數(shù)、載荷和測試數(shù)據(jù)代入公式(1)和(2)，得到3 種狀態(tài)試樣在R=0.5 和加載頻率為50 Hz時的裂紋擴(kuò)展速率(圖2)。由圖2 可見，所測得的AZ91HP-F 和AZ91HP-T4試樣的試驗數(shù)據(jù)都分布在AZ91HP-T6的疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)之上，這說明固溶處理導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低，但隨后的時效處理又提高了AZ91HP-F 疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

式中:Δk 為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍;ΔP 為外加載荷范圍(ΔP=Pmax-Pmin);W 為C(T)試樣的寬度(20 mm);B 為C(T)試樣的厚度(4 mm);a 為裂紋長度，mm;da/dn 為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，mm/s;n 表示循環(huán)序數(shù);N 表示循環(huán)數(shù)。

圖2 AZ91HP 裂紋擴(kuò)展速率(da/dn)與應(yīng)力強(qiáng)度因子(log Δk)的關(guān)系Fig.2 The relationship between fatigue crack propagation rate and stress intensity factor

2.2 疲勞裂紋及其斷口的微觀形貌

圖3 是從AZ91HP-T4試樣側(cè)面看到的裂紋擴(kuò)展路徑?？梢?，裂紋在宏觀上雖然有一些大的彎曲，但曲率很小，整條路徑較平滑。但在高倍數(shù)下放大觀察到的裂紋擴(kuò)展路徑則顯得曲曲彎彎，有的部分呈蛇形(圖4a)，有的部分則分成兩岔(圖4b)。

圖5 是AZ91HP-T4試樣在ΔK 為0.93、3.65 MPa·m1/2位置垂直于力軸方向的裂紋斷口表面貌，可見高低起伏的斷裂面。裂紋斷口表面的凹凸程度依ΔK 值的大小而變化，ΔK 值越小，斷口特征越接近解理型;ΔK 值越大，斷口上的韌窩越多。在試樣的裂紋斷口表面還能夠看到一些受壓的小平面(圖6a);有些小平面不僅受壓，而且還留下了刮擦的痕跡(圖6b)。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，不僅AZ91HP-T4試樣，AZ91HP-F、AZ91HP-T6試樣的裂紋斷口表面也發(fā)現(xiàn)了類似的壓磨平面。在等載荷下，隨裂紋長度a 的增加，即ΔK 的提高，壓磨平面出現(xiàn)的幾率減小，但隨T6、F 和T4狀態(tài)而依次增加。

圖3 AZ91HP-T4試樣宏觀裂紋擴(kuò)展路徑Fig.3 Macro crack propagation path of AZ91HP-T4specimen

圖4 AZ91HP-T4試樣裂紋的高倍形貌Fig.4 AZ91HP-T4fatigue crack propagation

圖5 AZ91HP-T4試樣裂紋斷口表面形貌Fig.5 AZ91HP-T4fatigue crack surface profile

圖6 AZ91HP-T4試樣裂紋斷口表面的小平面Fig.6 Small planes on AZ91HP-T4fatigue crack surface

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制

由圖2 可知，AZ91HP 的裂紋擴(kuò)展速率依T6、F、T4狀態(tài)依次減低，即壓鑄AZ91HP 鎂合金抗裂紋擴(kuò)展能力與通過靜拉力試驗測得的3 種狀態(tài)延伸率δ(3.2%、3.5%、9%)的大小成正比，與屈服強(qiáng)度σ0.2成反比，這說明裂紋周圍塑性區(qū)的大小和塑性形變量對裂紋的擴(kuò)展具有一定的阻礙作用。疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN 與遠(yuǎn)場應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK 具有如式(3)所示的冪律關(guān)系。由于韌性材料在循環(huán)載荷下存在著裂紋閉合效應(yīng)，裂紋只有在裂紋面完全分開的循環(huán)疲勞載荷部分作用下才可能擴(kuò)展，于是式(3)中ΔK 用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKeff代替更為合理，如式(4)所示。

式中:da/dN 為疲勞裂紋擴(kuò)展速率;C 為比例系數(shù);ΔKeff=Kmax-Kop，Kop表示在裂紋閉合循環(huán)過程中裂紋開始張開時的應(yīng)力強(qiáng)度因子(Kop＞Kmin)。

圖7 為AZ91HP-T4試樣疲勞斷口的SEM 照片。在疲勞斷口的一些解理面上可見到滑移線痕跡和二次裂紋。這說明在裂紋擴(kuò)展過程中，斷口周圍仍然持續(xù)發(fā)生著二次的形變和開裂過程。因此，裂紋頂端前緣的永久變形和從峰應(yīng)力卸載過程中的滑移和開裂均可使相對兩斷裂面的凹凸之間錯位，使之在受壓應(yīng)力時裂紋不能夠完全閉合，導(dǎo)致Kop＞Kmin。

圖7 AZ91HP-T4試樣的準(zhǔn)解理疲勞斷口形貌Fig.7 Slip band on AZ91HP-T4quasi-cleavage

這種塑性誘發(fā)的裂紋閉合效應(yīng)應(yīng)當(dāng)同材料的塑性有關(guān)。由于AZ91HP 的塑性和形變硬化依T6、F、T4狀態(tài)依次增加，因此Kop依次升高，ΔKeff值則依次降低，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率依次降低。

3 結(jié)論

1)與壓鑄態(tài)鎂合金AZ91HP-F 相比，固溶處理狀態(tài)的鎂合金AZ91HP-T4 疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低，但時效處理狀態(tài)的AZ91HP-T6的疲勞裂紋擴(kuò)展速率則相應(yīng)增加。

2)鎂合金疲勞裂紋擴(kuò)展路徑在微觀上波浪起伏，在一些位置還存在著扭折和分岔。相對應(yīng)的裂紋表面高低起伏、凹凸不平，而且其凹凸程度依ΔK 值的大小而變化:ΔK 值越小，斷口越平滑，解理面越多;ΔK 值越大，斷口越粗糙，韌窩越多。

3)鎂合金裂紋擴(kuò)展過程存在著塑性誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)，這一效應(yīng)使得鎂合金裂紋擴(kuò)展的Kop值增加，ΔKeff值減小，裂紋擴(kuò)展速率降低。

4)塑性誘發(fā)的裂紋閉合效應(yīng)與合金塑性有關(guān)。由于AZ91HP 的塑性和形變硬化依T6、F、T4狀態(tài)依次增加，因此Kop依次升高，ΔKeff值則依次降低，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率依次降低。

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