AZ31B擠壓變形鎂合金低周疲勞行為研究

耿長建，武保林，劉 芳，佟文偉，韓振宇

(1.中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設計研究所 材料應用研究室，沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

AZ31B擠壓變形鎂合金低周疲勞行為研究

耿長建1，武保林2，劉 芳1，佟文偉1，韓振宇1

(1.中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設計研究所 材料應用研究室，沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

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

AZ31B鎂合金；滯回曲線；位錯滑移；孿生-去孿生

鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、良好的鑄造性能、較強的電磁屏蔽能力以及易于再生利用等一系列獨特的優(yōu)點，被譽為“2l世紀最具發(fā)展?jié)摿颓巴镜牟牧稀?。其結構件在汽車、飛機、計算機、通訊等領域獲得了日益廣泛的應用[1-3]。由于具有良好的延展率和較高的強度等優(yōu)點，AZ31B變形鎂合金是目前應用最廣泛的擠壓變形鎂合金,被用在發(fā)動機輸油管路及機匣中。不同的加載方向下，AZ31B變形鎂合金呈現(xiàn)各向異性。最近，許多對鎂合金在應變控制的低周疲勞的研究表明，加載方式和樣品的織構對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，大都加載對稱性應變幅進行疲勞實驗。同一應變幅下，由對稱性應變幅和非對稱性應變幅控制的疲勞中產生的初始孿生種類、數(shù)量及產生機制大不相同。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制與疲勞行為之間的關系，本文分別研究了對稱載荷、非對稱載荷下，不同應變幅對AZ31B鎂合金的疲勞行為的影響，這對鎂合金材料設計和應用具有重要意義。

1 實驗材料及方法

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性能，同時Al元素還可提高合金的耐腐蝕性，減小凝固時的收縮，改善合金的鍛造性能，增強鑄件強度。Zn是另一種有效的合金化元素，其在鎂合金內也是以固溶體存在的，對合金性能的影響和Al相似，但當Zn的質量百分含量高于2%時會導致熱裂現(xiàn)象，因而應嚴格控制其含量。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、鎳等雜質元素會降低合金的耐腐蝕性能，應嚴格控制其含量。故該合金成本較低。AZ31B的標準成分如表1。

表1 AZ31B鎂合金名義化學成分

將合金棒材加工成標距長度30 mm，標距直徑6 mm，總長度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，在酒精中反復沖洗以洗掉樣品表面殘留拋光液液，吹干后即可。在應變控制的低周實驗中，三角波能使應變速率在整個循環(huán)拉壓過程中保持不變的狀態(tài)；采用軸向加載方式在MTS實驗機上進行實驗。

2 實驗結果

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，織構主要由強的<10-10>絲織構組分和較弱的<11-20>絲織構組分構成，兩種組分的{0002}晶面都平行于ED。

圖2 原始樣品反極圖

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

圖3 不同加載方式下，不同應變幅下應力幅-循環(huán)周次曲線

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

圖4 不同應變幅下第100周期的真應力-真應變滯回曲線

3 分析討論

由于應力越大對材料造成的破壞越大，所以從圖3中可見，應變幅越大，循環(huán)壽命越短。一般認為，循環(huán)硬化是由于位錯密度的增加和位錯與位錯之間以及位錯與析出相之間相互作用的增強而造成的，隨著應變幅的增加，更多的位錯滑移和孿生開動，從而對疲勞壽命產生上述影響。另外，晶界滑移對塑性變形具有重要貢獻，因為晶界滑移可以調整塑性應變的各向異性以及使晶界處的應力集中得到釋放。低應變幅下應變硬化不明顯的原因是低應變幅下晶界滑移和滯彈性起主要作用，而高應變幅下位錯滑移和孿生-去孿生起主要作用。據文獻[15]所述，低應變幅下疲勞裂紋的產生主要是位錯滑移的原因，而高應變幅下裂紋的產生主要是孿生-去孿生的原因。

由圖4可知，真應力-真應變滯回曲線的形狀與總應變幅有密切關系。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稱性主要取決于織構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力大小。需要注意的是，本實驗的結果表明，在低應變幅下，位錯滑移為塑性變形的主要機制，這就是低應變幅下滯回曲線為對稱性的原因。如上所述，高應變幅下孿生-去孿生為主要變形機制，然而由于存在內應力的原因，去孿生在卸載的過程中即可發(fā)生。這種情況下，仍需要位錯滑移來調整應變，特別是在拉伸過程中的去孿生后階段，位錯滑移具有較大的作用[17]。這將導致滯回曲線的不對稱和較高的最大拉應力。另外，最大壓應力和最大拉應力隨著應變幅的增加而呈現(xiàn)不對稱增加也與該變形機制有關。

一般來說，如果材料在非對稱應變循環(huán)變形條件下(Ra=0或Ra=-∞)，其應力變化與對稱應變循環(huán)變形條件下的應力變化有所差異。圖5(a)為材料在拉-拉循環(huán)變形條件下(Ra=0)的應力隨應變變化示意圖。在小應變幅下，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。卸載后，發(fā)生回彈，應力降為零，但殘留有小的塑性應變。此時，若將應變回復到零，需要有壓縮應力形成反向加載，所需要的壓縮應力的大小取決去殘留塑性應變的大小和反向壓縮過程中材料的屈服應力大小。由于在小應變幅下發(fā)生的塑性應變極小，所以從a到b的應力-應變曲線為線性，該過程為彈性應變。在接下來的循環(huán)變形過程中，應力-應變響應將沿著圖中所示的紅色直線在a、b之間往復進行。然而在大應變幅下的循環(huán)變形過程中，在拉伸初始階段發(fā)生彈性應變后，從a到c發(fā)生較大的彈塑性應變。卸載后，發(fā)生回彈，應力降為零，但殘留的塑性應變比較大，若將應變回復至零，需要較大的壓縮應力。然而，在該過程中卻有可能發(fā)生塑性屈服，屈服應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[18-20]。理想情況下，從c到d發(fā)生彈性應變，在d點發(fā)生屈服，而從d到e為彈塑性應變。在接下來的卸載和反向拉伸過程中，應力-應變曲線從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)變形過程中的應力-應變響應曲線。在小應變幅下，壓縮初始階段發(fā)生彈性應變，然后彈塑性形變至a點。卸載后，應力減小至零，此時，存在較小的殘余塑性應變。由于殘余應變很小，反向拉伸為彈性應變，從a點到b點的應力-應變曲線完全呈線性，即此過程為完全彈性變形。在接下來的循環(huán)變形過程中，應力-應變響應將沿著圖中所示的紅線在a、b之間往復進行。在大應變幅循環(huán)變形過程中，壓縮過程發(fā)生彈性應變后，從a到c發(fā)生了較大彈塑性應變。卸載后應力減小為零，此時，有較大殘余塑性應變。較大殘余塑性應變的消除需要較大的拉伸應力，在拉伸過程中可發(fā)生塑性屈服。c到d為彈性應變，而從d到e發(fā)生的是彈塑性應變。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)生彈塑性應變，構成c-d-e-f-c滯回曲線。因為在卸載過程中由于不同取向晶粒間的內應力作用導致了包申格效應，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 低應變幅和高應變幅下第一周期滯回曲線示意圖

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

圖6 疲勞樣品的透射電鏡照片

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

一般認為，鎂合金疲勞過程中孿生與去孿生機制的交替是低周疲勞過程中的重要變形機制。從本實驗結果發(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(用深紅線標示)，與基體之間的取向差為<11-20>86°。

4 結 論

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

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

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

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

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(責任編輯：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

國家自然科學基金(項目編號：51171120；090202001)

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

2095-1248(2014)04-0044-06

V252.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.009