AZ91D 應(yīng)變狀態(tài)下低周疲勞行為的研究①

豐崇友， 張征宇， 李莉平， 白洪金

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車(chē)分院，浙江嘉興314036)

0 引言

鎂合金被譽(yù)為2l世紀(jì)“綠色結(jié)構(gòu)材料”，在汽車(chē)工業(yè)、通訊電子和航空航天等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用[1－3]．AZ91D 是壓鑄鎂合金中強(qiáng)度最高，耐腐蝕性最好的材料，是汽車(chē)構(gòu)件中應(yīng)用最多的一種鎂合金．隨著人們對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)材料的要求進(jìn)一步提高，汽車(chē)的某些結(jié)構(gòu)件會(huì)承受疲勞載荷．低周疲勞是汽車(chē)結(jié)構(gòu)件發(fā)生損壞的主要形式之一，鎂合金的疲勞性能也成為許多學(xué)者的重點(diǎn)研究課題．目前的研究主要集中在微量元素對(duì)組織的常規(guī)力學(xué)性能的影響方面．各國(guó)學(xué)者針對(duì)于鎂合金材料在低應(yīng)力下的高周疲勞性能進(jìn)行了大量研究[4－6]．本文研究了鎂合金AZ91D材料在常溫下不同應(yīng)變條件下的低周疲勞性能，旨在為進(jìn)一步擴(kuò)大壓鑄鎂合金應(yīng)用范圍提供一定的基礎(chǔ)試驗(yàn)依據(jù)．

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為壓鑄鎂合金AZ91D，其基本成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:9．2Al，0．72Zn，0．21Mn，0．02 Si，0．005Fe，0．002Cu，0．001Ni，余量 Mg．材料在室溫下的基本力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1．低周疲勞試樣采用標(biāo)距直徑 10mm，標(biāo)距長(zhǎng)度 15mm，總長(zhǎng)度110mm的圓柱形光滑試樣．疲勞試樣如圖1所示．

表1 材料的力學(xué)性能

圖1 試樣的形狀及尺寸

圖2 靜拉伸、單軸拉－壓循環(huán)載荷應(yīng)力－應(yīng)變曲線

在MTS－810電液伺服動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)變控制單軸拉－壓低周疲勞加載試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，試驗(yàn)采用三角形波加載，循環(huán)特性R=－1，循環(huán)頻率為0．5Hz，疲勞試樣加載的應(yīng)變幅值分別為 0．6%，0．8%，1．0%，1．2% ．

疲勞失效判據(jù)為各應(yīng)變水平下的疲勞斷裂壽命，按該應(yīng)變水平下的最大載荷衰減到它的75%時(shí)的循環(huán)數(shù)．每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)定3～5個(gè)合格試樣，然后取平均值，確定其應(yīng)變載荷下的疲勞壽命．試驗(yàn)加載控制參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示．

圖3 應(yīng)變幅值－疲勞壽命曲線

表2 試驗(yàn)參數(shù)、疲勞壽命試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比

3 結(jié)果與討論

AZ91D鎂合金靜態(tài)拉伸、低周循環(huán)載荷下在總應(yīng)變控制的疲勞變形應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示，應(yīng)變－疲勞壽命曲線如圖3所示．(1)在0．3% ～1．5% 的外加總應(yīng)變幅下，其宏觀力學(xué)行為表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)變幅值一定的依賴(lài)性:當(dāng)循環(huán)應(yīng)變幅值小于0．4%，AZ91D鎂合金在低周載荷的作用下，材料表現(xiàn)出循環(huán)軟化現(xiàn)象;隨著循環(huán)應(yīng)變幅值的增加，當(dāng)總應(yīng)變幅為0．5%，0．6%，0．8%，1．0%，1．2%，1．5%，2．0%時(shí)，材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象．當(dāng)應(yīng)變幅值大于1．0%，曲線的斜率基本不變，即循環(huán)硬化的變化率基本相同，硬化變化率并沒(méi)有隨著應(yīng)變幅值的增加而增加;(2)當(dāng)應(yīng)變幅值大于0．4%，低周疲勞載荷的應(yīng)力－應(yīng)變曲線高于拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，分析可知，該材料在應(yīng)變幅值為0．4%時(shí)，材料由循環(huán)軟化開(kāi)始向循環(huán)強(qiáng)化轉(zhuǎn)變，并隨應(yīng)變幅值的增加附加硬化程度明顯增大．如圖2，應(yīng)變幅值的大小對(duì)材料疲勞壽命有較大影響:材料在較低的應(yīng)變幅值下，低周疲勞壽命變化不大，當(dāng)循環(huán)應(yīng)變幅值大于0．4%，隨著應(yīng)變幅值增大，材料的低周疲勞壽命明顯降低．

許多學(xué)者在研究其它不同材料的疲勞損傷過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不同的材料分別表現(xiàn)出循環(huán)軟化和循環(huán)硬化現(xiàn)象，疲勞壽命和試驗(yàn)加載方式、材料的性質(zhì)密切相關(guān)．K40S鈷基高溫合金在高溫疲勞過(guò)程中產(chǎn)生循環(huán)強(qiáng)化，高應(yīng)變幅值下產(chǎn)生的循環(huán)強(qiáng)化使材料的強(qiáng)度升高，卻使疲勞裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值降低，致使疲勞壽命降低[7]．45#鋼非比例循環(huán)的應(yīng)力響應(yīng)遠(yuǎn)高于比例及單軸循環(huán)的應(yīng)力響應(yīng)，非比例加載疲勞壽命低于相同等效應(yīng)變幅值的比例及單軸加載疲勞壽命;且相位角越大，疲勞壽命越短[8]．SUS304不銹鋼在疲勞過(guò)程中產(chǎn)生的硬化，既有材料基體奧氏體的應(yīng)變硬化又有應(yīng)變誘發(fā)馬氏體引起的硬化[9]．Zr－4合金雙軸比例和非比例循環(huán)變形過(guò)程中，首先表現(xiàn)為循環(huán)硬化，隨后逐漸軟化特征;表現(xiàn)為非比例附加強(qiáng)化;非比例加載下合金的疲勞壽命低于相同等效應(yīng)變幅下的比例加載;非比例附加強(qiáng)化程度越高，雙軸疲勞壽命越低[10]．鈦合金B(yǎng)T9比例、非比例載荷下呈現(xiàn)低位錯(cuò)密度的塊狀多滑移位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，循環(huán)附加強(qiáng)化效果不明顯，但疲勞壽命卻明顯降低[11]．?dāng)D壓態(tài)AZ91鎂合金當(dāng)應(yīng)變幅值為0．4% 時(shí)，合金表現(xiàn)為初始循環(huán)軟化，后期呈現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定;當(dāng)應(yīng)變幅值為0．5%時(shí)，合金初期呈現(xiàn)循環(huán)軟化，而在后期則表現(xiàn)為循環(huán)硬化[12]．

可見(jiàn)，材料在應(yīng)變控制低周循環(huán)載荷作用下，循環(huán)軟化和循環(huán)硬化現(xiàn)象都一直存在于材料的低周疲勞變形損傷過(guò)程中，材料在不同循環(huán)階段所表現(xiàn)的宏觀力學(xué)行為即應(yīng)力－應(yīng)變響應(yīng)不僅和材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還和應(yīng)變幅值、應(yīng)變速率、波形等參數(shù)密切相關(guān)．不論表現(xiàn)出哪種應(yīng)力－應(yīng)變響應(yīng)，都會(huì)致使疲勞損傷加劇，壽命降低．

運(yùn)用單軸低周疲勞著名的Coffin－Manson公式對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè):

采用Coffin－Manson公式進(jìn)行的壽命預(yù)測(cè)，系數(shù)分別取c=23．92，m=－0．4346，壽命預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，在高應(yīng)變幅值下有較好的一致性，在低應(yīng)變幅值預(yù)測(cè)壽命與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果有一定的偏差．

4 結(jié)論

AZ91D鎂合金在低周循環(huán)載荷下，當(dāng)循環(huán)應(yīng)變幅值小于0．4%，材料表現(xiàn)出循環(huán)軟化現(xiàn)象．隨著循環(huán)應(yīng)變幅值的增加，材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象;且隨著應(yīng)變幅值的增加AZ91D鎂合金的附加強(qiáng)化程度增大;當(dāng)總應(yīng)變幅值大于1．0%，曲線的斜率基本不變，即循環(huán)應(yīng)變硬化率大致相同．應(yīng)變幅值對(duì)材料低周疲勞壽命有較大影響，隨著應(yīng)變幅值的增加，疲勞壽命明顯降低．運(yùn)用Coffin－Manson公式對(duì)材料進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，在較高應(yīng)變幅值下預(yù)測(cè)壽命與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，在低應(yīng)變幅值預(yù)測(cè)壽命與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大．

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