陳 凌， 張賢明， 劉 飛， 劉先斌， 歐陽平

(1.重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程博士后科研流動站，重慶 400044)

鎂合金疲勞研究現(xiàn)狀及展望*

陳 凌1,2， 張賢明1， 劉 飛2， 劉先斌1， 歐陽平1

(1.重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程博士后科研流動站，重慶 400044)

對鎂合金疲勞研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，包括鎂合金的低周疲勞行為、高周疲勞行為、腐蝕環(huán)境下的疲勞行為以及鎂合金疲勞壽命的預(yù)測方法，并歸納了鎂合金疲勞性能強(qiáng)化的主要方法，包括添加稀土元素、熱處理、表面處理等；在此基礎(chǔ)上，對鎂合金疲勞研究的不足進(jìn)行了分析，并對鎂合金疲勞研究的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

鎂合金；低周疲勞；高周疲勞；疲勞壽命；疲勞性能強(qiáng)化

鎂合金是實(shí)用金屬中最輕的金屬，具有低密度、高強(qiáng)度、高剛性的特點(diǎn)，是汽車工業(yè)中最有應(yīng)用潛力的金屬材料。近年來，隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，以及國家對汽車油耗、排放和汽車輕量化的逐漸重視，鎂合金在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，有效地降低了汽車重量、廢氣排放和燃油消耗。據(jù)《2015—2022年中國汽車輕量化行業(yè)全景調(diào)研及投資戰(zhàn)略咨詢報(bào)告》預(yù)測[1]：2020年后全球輕量化汽車材料需求將超過3 000萬t，同時，隨著鎂合金在汽車領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)性的逐步顯現(xiàn)，單車鎂合金用量將持續(xù)增加，預(yù)計(jì)可達(dá)100 kg，市場前景寬廣。

按成形工藝，鎂合金分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，應(yīng)用范圍極其寬廣，尤其是汽車領(lǐng)域，應(yīng)用部件涵蓋動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等多個系統(tǒng)。這些部件服役時通常承受循環(huán)應(yīng)力，形成疲勞損傷，積累到一定程度后導(dǎo)致部件的疲勞失效，疲勞是汽車結(jié)構(gòu)件發(fā)生損壞的主要形式之一。

近年來，針對鎂合金的疲勞國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[2-30]，主要集中在鎂合金的低周疲勞行為、高周疲勞行為以及疲勞性能的強(qiáng)化等方面，關(guān)于鎂合金的疲勞壽命預(yù)測以及腐蝕環(huán)境下的疲勞行為研究較少，對于鎂合金的疲勞損傷尤其是腐蝕環(huán)境下的疲勞損傷和壽命預(yù)測等方面的研究較為缺乏。基于此，對鎂合金疲勞研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出了進(jìn)一步研究的建議。

1 鎂合金的疲勞行為

1.1 鎂合金的低周疲勞行為

鎂合金低周疲勞行為的研究主要針對典型鑄造鎂合金AZ91、AZ91D及典型變形鎂合金AZ31、AZ31B等進(jìn)行，包括應(yīng)力、應(yīng)變控制下的循環(huán)響應(yīng)行為、疲勞性能等，具體如下：

LIN Y C等人[2-3]研究了AZ91、AZ91D應(yīng)力控制下的低周疲勞，研究表明：對于應(yīng)力控制下的鎂合金低周疲勞，當(dāng)控制模式為非對稱應(yīng)力控制時，材料的疲勞過程存在棘輪效應(yīng)，棘輪應(yīng)變隨應(yīng)力幅或平均應(yīng)力的增加而增加，同時材料的疲勞壽命隨應(yīng)力幅、平均應(yīng)力及峰值應(yīng)力的降低而增加。

BEGUM S等人[4]研究了AZ31應(yīng)變控制下的低周疲勞，研究表明：對于應(yīng)變控制下的鎂合金低周疲勞，材料呈現(xiàn)循環(huán)硬化，且由于壓縮過程中孿晶的產(chǎn)生以及卸載過程中的去孿晶行為導(dǎo)致材料的遲滯迴線出現(xiàn)非對稱現(xiàn)象。GENG C J等人[5-6]研究了AZ31B應(yīng)變控制下的低周疲勞，研究發(fā)現(xiàn)：對于高、低應(yīng)變控制下的鎂合金低周疲勞，材料的變形機(jī)制分別為孿生和位錯滑移，導(dǎo)致材料的遲滯迴線呈現(xiàn)兩種不同的形狀，并且材料僅在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)呈循環(huán)硬化。此外，DUAN G S等人[7]研究了加載頻率對AZ31B低周疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)加載頻率的增加會明顯地降低循環(huán)硬化率，同時提高疲勞壽命。

在AZ31、AZ31B低周疲勞行為的研究基礎(chǔ)上，HUANG G S等[8]、WU D K等人[9]研究了預(yù)壓縮對鎂合金低周疲勞性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)壓縮的預(yù)處理方式可以提高鎂合金材料的低周疲勞性能。

1.2 鎂合金的高周疲勞行為

鎂合金高周疲勞行為的研究主要側(cè)重于疲勞裂紋的形核及擴(kuò)展機(jī)制等方面，采用滑移變形理論及孿生理論對裂紋形核及擴(kuò)展進(jìn)行解釋，具體如下：

SHIH T S[10]、TOKAJI K等人[11]通過對鎂合金AZ61A、AZ31高周疲勞行為及斷裂機(jī)理的研究，采用循環(huán)滑移變形理論，對鎂合金表面及亞表面裂紋形核原因進(jìn)行了解釋，在此基礎(chǔ)上，XU D K等人[12]提出用滑移與環(huán)境交互理論來解釋鎂合金材料的亞表面裂紋形核現(xiàn)象。

相對于滑移變形理論，YANG F[13]、武艷軍等人[14]通過對鎂合金AZ31高周疲勞的研究，認(rèn)為鎂合金材料的疲勞裂紋是由孿生引起的，易在材料表面或亞表面孿晶帶處形核。

相對于單純用滑移變形理論或?qū)\生理論來解釋鎂合金高周疲勞裂紋的形核及擴(kuò)展，NASCIMENTO L等人[15]的觀點(diǎn)更為合理，其認(rèn)為對于晶粒結(jié)構(gòu)不均勻且為強(qiáng)力纖維狀結(jié)構(gòu)的鎂合金，疲勞裂紋在表面或亞表面孿晶帶處形核并沿孿晶帶擴(kuò)展，對于晶粒結(jié)構(gòu)均勻的鎂合金，疲勞裂紋的形核及擴(kuò)展由滑移變形引起。另外，近年來，有學(xué)者利用紅外熱像法研究了鎂合金高周疲勞過程中的溫度變化[16]，提出采用溫度變化來預(yù)測鎂合金的高周疲勞性能，提供了一種新的研究思路。

1.3 鎂合金腐蝕環(huán)境下的疲勞行為

鎂合金腐蝕環(huán)境下的疲勞行為研究較少，以不同空氣濕度及NaCl溶液下的疲勞為主，具體如下：

周華茂[17]、BHUIYAN M S[18]、HE X L[19]等人分別研究了AZ31、AZ31B、AZ80-T5等鎂合金在不同的空氣濕度以及NaCl溶液下的疲勞行為，研究表明：空氣含濕量與NaCl濃度的增加會較大的影響材料的疲勞性能，其中NaCl的影響更為明顯。同時，材料表面腐蝕坑的形成與增長是降低鎂合金在腐蝕環(huán)境下疲勞強(qiáng)度的主要原因，Cl-在鎂合金材料表面尤其是表面薄弱位置的吸附使得材料的保護(hù)膜由Mg(OH)2變?yōu)镸gCl2，MgCl2易溶于水，導(dǎo)致材料產(chǎn)生腐蝕，并在局部位置形成腐蝕微坑，腐蝕微坑的形成與增長使得材料同時承受疲勞和腐蝕的作用，使得疲勞性能明顯降低，且Cl-濃度越大，疲勞性能降低程度越明顯。

在上述研究基礎(chǔ)上，有學(xué)者針對如何降低及防止鎂合金腐蝕進(jìn)行了研究[20]，發(fā)現(xiàn)涂層、噴丸等手段可有效降低腐蝕對鎂合金材料疲勞性能的影響。

2 鎂合金疲勞壽命的預(yù)測

鎂合金疲勞壽命預(yù)測的研究較少，主要以經(jīng)典的Manson-Coffin公式、Basquin公式以及在此基礎(chǔ)上的一些修正[21-22]為主，缺乏系統(tǒng)深入的研究，大都以應(yīng)變或應(yīng)力為疲勞參量，建立相應(yīng)的應(yīng)變-壽命模型或應(yīng)力-壽命模型，不能揭示疲勞損傷的本質(zhì)，對于存在初始損傷或者存在非對稱載荷的情況，適用性較差。除應(yīng)力、應(yīng)變外，有學(xué)者采用應(yīng)變能密度作為疲勞參量來表征鎂合金材料的疲勞壽命[23]，但這類研究大都較為簡單，僅考察了塑性應(yīng)變能密度、總應(yīng)變能密度與疲勞壽命的關(guān)系，對于非對稱載荷等復(fù)雜工況下的疲勞壽命預(yù)測，研究較為缺乏。

除此之外，近年來，張紅霞等人[24]通過紅外熱像儀考察了鎂合金AZ31B疲勞過程中的表面溫度變化情況，在此基礎(chǔ)上，提出利用峰值溫度和應(yīng)力關(guān)系來預(yù)測鎂合金材料的疲勞壽命，提供了一種鎂合金疲勞壽命預(yù)測的新方法。

3 鎂合金疲勞性能的強(qiáng)化

鎂合金疲勞性能強(qiáng)化的研究主要側(cè)重于稀土元素的加入，具體包括：ZHU R[25]、WANG F H[26]等人以鎂合金GW83、GW102k為對象，研究了重稀土元素Gd、Y對鎂合金疲勞性能的改善，研究發(fā)現(xiàn)，加入稀土元素后，材料的組織發(fā)生了顯著的變化，合金晶粒發(fā)生明顯的細(xì)化，材料循環(huán)硬化或軟化現(xiàn)象加強(qiáng)，疲勞性能得到較大的改善。PENG L M[27]，MIRZA F A[28]等人以鎂合金N230K為對象，研究了輕稀土元素Nd對鎂合金低周及高周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)Nd能明顯提高鎂合金的抗蠕變性能。YANG Y[29]、FU Q Q[30]等人研究了輕稀土元素Ce對鎂合金AZ91D高周及低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加Ce后AZ91D的晶粒顯著細(xì)化，疲勞性能明顯提高。

除添加稀土元素外，熱處理、表面處理等加工工藝同樣可提高鎂合金的疲勞性能。張思倩等人[31]研究了時效和固溶處理對鎂合金疲勞性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：時效和固溶處理可以加強(qiáng)鎂合金材料循環(huán)過程中發(fā)生變形的抵抗能力，但對于材料疲勞壽命的影響不一，對于高外加應(yīng)變載荷的情況，時效和固溶處理可提高疲勞壽命，對于低外加應(yīng)變載荷的情況，時效和固溶處理后的鎂合金材料疲勞壽命反而降低，這可能是由于疲勞過程中產(chǎn)生的孿晶導(dǎo)致的。張青來等人[32]以鑄造鎂合金AZ91D-T6為對象，研究了采用激光進(jìn)行表面處理對材料疲勞性能的影響，研究表明：采用激光進(jìn)行表明處理后，鎂合金材料表面的硬度明顯提高，同時晶粒發(fā)生明顯的細(xì)化，疲勞性能得到較大的提高。

4 結(jié)論及展望

鑒于鎂合金在汽車、航空航天等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，鎂合金的疲勞研究受到了廣泛的關(guān)注。但目前，關(guān)于鎂合金疲勞的研究主要集中在鎂合金的疲勞行為以及疲勞性能強(qiáng)化等方面，關(guān)于鎂合金的疲勞壽命預(yù)測以及腐蝕環(huán)境下的疲勞行為研究較少，對于鎂合金的疲勞損傷尤其是腐蝕環(huán)境下的疲勞損傷和壽命預(yù)測等方面的研究較為缺乏。通過研究實(shí)際工況下鎂合金的疲勞行為，揭示材料損傷機(jī)理和損傷演化規(guī)律，進(jìn)而給出合理的損傷評估方法、壽命預(yù)測模型以及性能強(qiáng)化手段，是未來鎂合金疲勞研究發(fā)展的重要方向，同時也是相應(yīng)工況下鎂合金部件設(shè)計(jì)及評估的重要依據(jù)。

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責(zé)任編輯：田 靜

Present Situation and Development of Research on Fatigue of Magnesium Alloys

CHEN Ling1, 2,ZHANG Xian-ming1, LIU Fei2,LIU Xian-bin1, OUYANG Ping1

(1. Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China; 2. Mobile Post-doctoral Research Station of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400044 , China)

The present studies of the fatigue of magnesium alloys have been summarized in this paper, including the low cycle fatigue behavior, high cycle fatigue behavior, fatigue behavior under the corrosive environment and fatigue life prediction methods of magnesium alloys. And then, the main methods for the fatigue strengthening of magnesium alloys have also been summarized, such as the rare earth element adding, heat treatment, surface treatment and etc. On this basis, the shortage of the present magnesium alloy fatigue research is analyzed. In addition, the developing direction of magnesium alloy fatigue research in the future is discussed.

magnesium alloys; low cycle fatigue; high cycle fatigue; fatigue life; fatigue property strengthening

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0001.015

2016-07-20；

2016-09-15.

中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015M582523)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500624)；重慶工商大學(xué)科研啟動經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2014-56-10).

陳凌(1979-)，男，重慶市人，高級工程師，博士，從事金屬材料的疲勞、斷裂、腐蝕及廢棄物循環(huán)利用技術(shù)研究.

TG146.2

A

1672-058X(2017)01-0075-05