李俠 耿旭 崔東衛(wèi)

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，鞍山 114009）

1 前言

鎂合金作為一種輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)今越來越廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)中，實現(xiàn)車身的減量化。實際上，任何工程結(jié)構(gòu)材料的疲勞失效均是結(jié)構(gòu)件的主要破壞形式，鎂合金也不例外。隨著鎂合金的應(yīng)用范圍越來越廣，用量急劇增加，對鎂合金疲勞性能的要求也越來越高，如何安全使用鎂合金已受到廣大使用者的關(guān)注。因此，研究鎂合金的疲勞行為不僅具有理論價值，而且具有一定的工程應(yīng)用價值[1-6]。

本研究從鎂合金的微觀組織出發(fā)，通過對鎂合金AZ31 在室溫下進行疲勞變形，對疲勞試樣借助于金相、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）、斷口形貌照片研究了鎂合金疲勞變形過程中疲勞變形條件對孿生過程的影響以及孿生過程對疲勞變形過程的作用。

2 疲勞試驗

2.1 材料

試驗中所用的是AZ31B 鎂合金，擠壓溫度為380～400 ℃，擠壓比為30∶1，擠壓成厚度為5 mm的板材，其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 AZ31B鎂合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

2.2 高周疲勞方案

從經(jīng)過熱處理的熱擠壓AZ31 鎂合金板條上不同方向（與擠壓方向平行、成45°、垂直）切取樣品，在最大加載能力為±50 kN 的MTS-810 型電液伺服疲勞試驗機上進行疲勞試驗。采用軸向拉-拉應(yīng)力控制模式，應(yīng)力比R為0.1，所采用的波形為正弦波，循環(huán)頻率均為50 Hz，試驗環(huán)境為靜態(tài)空氣介質(zhì)，試驗溫度為室溫。采用升降法測定鎂合金的疲勞性能，各試驗均進行至試樣斷裂時為止，且以斷裂時所對應(yīng)的循環(huán)周次作為合金在相應(yīng)試驗條件下的疲勞壽命。試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)超過1×107次為止。

3 結(jié)果與分析

圖1和圖2為AZ31B擠壓板試樣在300 ℃下保溫1 h 退火后顯微組織，可以看到細小但明顯不均勻的晶粒，說明鎂合金發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶優(yōu)先發(fā)生在擠壓態(tài)鎂合金原始晶粒晶界處，在晶界處布滿了再結(jié)晶晶粒，晶粒大小不均勻，最大晶粒尺寸約為113 μm，最小晶粒尺寸約為5 μm，在圖1 中較大的晶粒認為是鎂合金退火過程中保溫時間過長引起的經(jīng)歷異常長大的結(jié)果，第二相析出較少，呈單一基體相組織，退火后晶粒內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有孿晶[7]。

圖1 AZ31B鎂合金退火后金相組織（×100）

圖2 AZ31B鎂合金退火后金相組織（×200）

3.1 鎂合金高周疲勞壽命曲線

圖3 為鎂合金沿疲勞擠壓方向、與擠壓方向成45°、垂直于擠壓方向的疲勞壽命曲線，表2 為不同疲勞加載方向的AZ31B 鎂合金的高周疲勞參數(shù)，可以看到鎂合金擠壓板材沿3 個方向的疲勞性能表現(xiàn)出明顯的各向異性，對比各個方向的性能指標可以得出：沿擠壓方向的疲勞性能比其他2 個方向要好。鎂合金沿擠壓方向的疲勞強度為125 MPa，與擠壓方向成45°的疲勞強度為120 MPa，垂直于擠壓方向的試件在疲勞中表現(xiàn)出來較差的疲勞性能，在相同應(yīng)力、相同疲勞環(huán)境介質(zhì)下，疲勞斷裂周次均低于平行于擠壓方向和與擠壓方向成45°的疲勞斷裂周次。

圖3 不同疲勞加載方向高周疲勞曲線

表2 不同疲勞加載方向的AZ31B鎂合金的高周疲勞參數(shù)

在恒應(yīng)力幅疲勞試驗中，描述應(yīng)力幅σa（σa=Δσ/2，Δσ=σmax-σmin）與發(fā)生破壞的載荷反向次數(shù)2Nf 之間的關(guān)系表達式為：

式中，σf為疲勞強度（對于大多數(shù)金屬，其非常接近經(jīng)過頸縮修正的單向拉伸真斷裂強度σf）；b為疲勞強度指數(shù)（Basquin 指數(shù)）[8-10]。

3.2 顯微組織分析

在125 MPa、應(yīng)力比R為0.1、波形均為正弦波、循環(huán)頻率為50 Hz 的疲勞條件下，AZ31 鎂合金擠壓板經(jīng)沿擠壓方向經(jīng)疲勞加載后，幾乎看不到大晶粒內(nèi)存在孿晶，說明該疲勞條件下，疲勞加載過程中應(yīng)力均勻，晶粒均勻變形，疲勞過程中主要變形方式為基面滑移。而其余2 個發(fā)現(xiàn)的鎂合金經(jīng)疲勞變形后之后組織發(fā)生了明顯的變化，不同程度上出現(xiàn)了孿晶和碎晶現(xiàn)象，由圖4 可以看出，退火后的AZ31B 鎂合金經(jīng)疲勞試驗后，疲勞方向垂直于擠壓向的試樣孿生數(shù)量多于其他2個方向，并且隨著與擠壓方向角度的增大，孿晶數(shù)量逐漸增多，寬度逐漸變寬，使孿晶界與基體晶界之間的交互作用增加，顯著增加了局部區(qū)域的應(yīng)力集中。由圖4e、圖4f 可以看出，垂直于擠壓方向的疲勞試件幾乎所有的晶粒內(nèi)部都存在相互平行的孿晶和少量相互交叉的孿晶（圖4f 箭頭所示），并且孿晶的體積分數(shù)很大，孿晶較寬，貫穿整個晶粒。

圖4 AZ31鎂合金125 MPa高周疲勞鎂合金金相顯微組織

經(jīng)過顯微組織分析，在沿擠壓方向拉伸的疲勞變形條件下，孿生變形受限，拉伸變形時＜101ˉ2>＜101ˉ1>拉伸孿晶的數(shù)量很少，而垂直于擠壓方向的疲勞變形產(chǎn)生的拉伸孿晶較多[6]。

3.3 疲勞斷口特征

為了確定不同疲勞加載方向的AZ31B 鎂合金在應(yīng)力控制高周疲勞加載條件下的裂紋萌生與擴展行為，利用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對疲勞斷口形貌進行觀察分析，如圖5 所示。

圖5 130 MPa下不同方向AZ31B鎂合金疲勞源區(qū)的微觀形貌

從圖5 中可以看到鎂合金疲勞后，有一個或多個裂紋源，具有放射狀條紋，而放射狀條紋的收斂處即為裂紋源處。經(jīng)分析，AZ31 鎂合金在平行于擠壓方向與擠壓方向成45°方向在130 MPa 的疲勞條件下只有一個疲勞源，垂直于擠壓方向在130 MPa 的疲勞條件下，有2 個疲勞源，屬多源疲勞。由疲勞源區(qū)的SEM 照片上可見疲勞源多萌生于材料的表面的第二相粒子、表面缺陷處或疲勞源區(qū)的裂紋直接萌生于材料的表面。

圖6 為3個疲勞加載方向AZ31B鎂合金的疲勞斷口裂紋擴展區(qū)的典型微觀形貌。從圖5中可以看出，在疲勞裂紋源出現(xiàn)以后，疲勞裂紋以穿晶方式先沿著與最大切應(yīng)力方向向鎂合金內(nèi)部擴展，再沿著與最大正應(yīng)力方向相垂直的方向繼續(xù)擴展，在微觀形貌圖片中并未看到所謂的疲勞輝紋。

圖6 不同方向AZ31B鎂合金疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌

圖6中還可看到解理臺階和一些微小的二次裂紋，與主裂紋面相垂直，并且有一定數(shù)量的微孔，為瞬斷區(qū)的典型韌窩組織，呈現(xiàn)一些大小不等的原形或橢圓形的凹坑-韌窩。韌窩的形成機理為空洞聚集，即顯微空洞生核、長大、集聚直至斷裂。首先，材料內(nèi)部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長大并和其他空洞連接在一起形成韌窩斷口，在晶粒及韌窩處可見撕裂的解理的小平面。疲勞斷口表面上的大量解理臺階、擴展區(qū)處的解理臺階呈現(xiàn)出河流花樣，意味著不同疲勞加載方向的AZ31B鎂合金的疲勞斷裂主要以解理形式發(fā)生[11]。

3.4 鎂合金高周疲勞后孿晶TEM分析

對斷口附近的組織做了TEM 分析，圖7 為125 MPa 高周疲勞加載條件下平行于擠壓法方向、與擠壓方向成45°、垂直于擠壓方向疲勞加載后的TEM 照片，總體來說，從圖7a 中可以看到孿生帶和大量的由位錯組成的亞結(jié)構(gòu)，說明對于平行于擠壓方向的疲勞加載，鎂合金主要的塑性為基面滑移，位錯組態(tài)由位錯高密度區(qū)及其之間的低密度區(qū)構(gòu)成。圖7b中發(fā)現(xiàn)了大量相互的孿晶帶，孿生帶的數(shù)量有所增加。在垂直于擠壓方向疲勞加載后的TEM 可以看到交叉孿晶，如圖7c 所示，通過圖片可發(fā)現(xiàn)部分相鄰晶粒襯度反差很大，說明其取向差較大，是在晶粒內(nèi)部2種不同取向的孿晶相交。

圖7 125 MPa高周疲勞疲勞后TEM圖

從圖7 鎂合金高周疲勞后顯微組織圖中可以看出，鎂合金試樣組織在3 個方向上均不同程度出現(xiàn)了大量的孿晶，平行于擠壓方向的試樣經(jīng)過高周疲勞后，試樣組織變化不是很大，出現(xiàn)了極少量的孿晶，基本上在其疲勞后金相組織圖中觀察不到，只能在TEM 圖中觀察到細小的孿晶，而且數(shù)量及寬度要明顯少于與疲勞加載方向成45°方向和垂直于擠壓方向的試樣疲勞斷口附近的孿晶。因此結(jié)合3 個疲勞加載方向疲勞壽命試驗結(jié)果，可以斷定疲勞斷裂周次不同程度的降低是由于試樣顯微組織中出現(xiàn)的孿晶引起的，說明鎂合金高周疲勞壽命與孿晶存在必然聯(lián)系，且孿晶數(shù)量增加，疲勞壽命降低；循環(huán)塑性應(yīng)變的累積引發(fā)疲勞裂紋，由于裂紋萌生多發(fā)生于孿晶與晶界的交匯處、滑移帶或晶界，使得疲勞循環(huán)變形過程中孿晶數(shù)量越多，與晶界的交匯處越多，形成疲勞源區(qū)的數(shù)量也就越多，導(dǎo)致裂紋萌生的周期變短。

綜上，在不同方向疲勞循環(huán)載荷加載的作用下，疲勞局部區(qū)域應(yīng)力集中有所不同，使得循環(huán)載荷的加載產(chǎn)生的孿晶界與基體晶界之間的交互作用不同，應(yīng)力集中顯著區(qū)域更容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致疲勞壽命顯著降低。

4 結(jié)論

a. 不同疲勞加載方向的疲勞試件經(jīng)疲勞后孿晶上布滿大量位錯，孿晶數(shù)量隨疲勞載荷加載方向與擠壓方向的增大而增多，在沿擠壓方向拉伸的疲勞變形條件下產(chǎn)生的孿晶數(shù)量明顯少于垂直于擠壓方向的疲勞變形產(chǎn)生的孿晶數(shù)量。

b. 鎂合金的孿生過程主要是滑移-孿生和孿生-孿生交互作用的過程。

c.AZ31B 鎂合金隨著隨疲勞載荷加載方向與擠壓方向的增大，疲勞壽命降低。