镁合金疲劳特性研究

目前镁合金疲劳问题的研究主要集中在疲劳裂纹的萌生与扩展行为、疲劳性能的强化以及疲劳寿命预测等方面。从研究材料类型来看，变形镁合金的研究多于铸造镁合金；从研究疲劳类型来看，低周疲劳的研究多于高周疲劳的研究；从研究手段上看，趋向于系统化、高分辨以及原位观察。结合本书的研究方向，下面将主要介绍疲劳裂纹的萌生、微观变形机制、S-N 曲线以及镁合金加工工艺等方面的研究内容[72]。

对镁合金疲劳裂纹萌生行为的研究表明，当铸造镁合金中存在显微孔洞、夹杂等缺陷时，将损害其疲劳性能。Mayer 等[73]的研究表明，当孔洞尺寸和数量超过一定范围时，将明显降低镁合金疲劳裂纹扩展的临界应力门槛值，使疲劳极限下降。另外，较大的夹杂物尺寸、枝晶间距及粗晶组织都有利于疲劳裂纹的扩展。对于变形镁合金，试样表面加工状态和夹杂物是影响其疲劳性能的主要因素。当试样表面加工良好，内部夹杂物尺寸较大时，疲劳裂纹将优先从内部夹杂物处萌生；而当试样表面加工粗糙，内部夹杂物尺寸较小时，疲劳裂纹则优先从试样表面加工刀痕处萌生；但当夹杂物刚好位于试样表面时，两者共同促进裂纹萌生。M Matsuzuki 等人[74]在研究AZ31 镁合金的低周疲劳损伤过程表明，在高塑性应变幅作用下，孪生主导疲劳变形；在低塑性应变幅下，位错滑移主导疲劳变形。B K Wen 等人[75]在研究不同应变状态下AZ31B 镁合金的低周疲劳损伤过程发现，在低应变幅下，由位错滑移主导疲劳变形并诱发微裂纹，但是在高应变幅下，同时观察到了位错滑移和孪生所诱发的微裂纹，并且在裂纹扩展阶段，位错滑移主导的裂纹扩展速度明显更快，即在高应变幅下依旧是位错滑移主导裂纹开裂。然而，F Yang等人[76]在研究AZ31 镁合金的高周疲劳的裂纹萌生机制发现，微裂纹在孪晶带处出现。S M Yin 等人[77]通过结合EBSD 研究AZ31 镁合金低周疲劳的应力-应变滞后回线和应力-循环周次曲线特点，发现疲劳过程中存在着明显的拉-压不对称现象、伪弹性现象以及循环硬化与软化现象，通过结合原位表征微观组织发现，导致这些现象的原因是疲劳过程中的孪生-退孪生行为。

采用循环应力或者循环应变对金属材料进行疲劳检测，最终获得应力-循环次数（σ-N）曲线或应变-循环次数（ε-N）曲线即S-N 曲线。近些年来，很多学者对镁合金在循环载荷下的疲劳断裂行为进行了大量的研究。Wang[78]在研究铸态AM50 合金的疲劳裂纹扩展行为时指出，在循环载荷作用下，裂纹将在α-Mg 基体相的晶界处萌生，然后沿着α-Mg 与共晶体之间的界面扩展，但并不会贯穿整个α-Mg 晶粒，而且当外加应力σmax接近或者超过合金的屈服强度时，由于晶界滑移将会导致疲劳裂纹分叉。Nan[79]研究指出，对于挤压态AZ31 镁合金而言，在高周疲劳变形初期，裂纹首先在Mg17Al12粒子处萌生，然后以Ⅰ型和Ⅲ型混合模式穿晶扩展。当外加应力幅略高于合金的疲劳极限时，疲劳裂纹的扩展将受到晶界的阻碍作用，此时将发生非平面滑移，导致断裂面两侧晶体间的高度差显著增大；当由于应力循环而使得裂纹前沿的积聚能量达到足以克服晶界的阻滞作用时，疲劳裂纹便可穿过晶界并向相邻晶粒中扩展；此后，借助非平面滑移在晶界处所积聚的能量将得以释放，断裂面两侧晶体间的高度差随之显著减小，与此同时，由于疲劳裂纹开始以Ⅰ型模式扩展，因此其宽度迅速增大。聂德福等[80]等研究了AZ31B 镁合金的力学性能和疲劳裂纹扩展行为，数据显示，不同方向材料的抗拉强度相当而屈服强度相差较大，因而其疲劳裂纹扩展行为存在差异，当应力强度因子范围相同时，裂纹扩展速率随载荷比增大而增大。Basha 等[81]利用透射电子显微镜观察了纯Mg 和Mg-0.3at%Y 合金原位应变过程中沿晶界和孪晶的裂纹的形核和扩展：在沿晶界传播过程中，裂纹尖端发生双晶核化。在纯Mg 的情况下，裂纹不沿着孪晶界传播，而是沿晶界延伸；对于Mg-0.3at%Y 合金，裂纹沿着在裂纹尖端形核并生成的孪晶边界传播，这直接证明合金化对断裂行为的影响。

此外，一些工艺方法及加载条件也能够对镁合金疲劳裂纹扩展起到一定的影响作用。(www.xing528.com)

研究表明，随着晶粒尺寸的细化，不仅镁合金的强度会大幅提高，而且塑性显著改善。而且，与体心立方（BCC）和面心立方（FCC）晶体结构的材料相比，细化晶粒对提高晶体结构为密排立方（HCP）的镁合金的力学性能更为有效。因此，晶粒细化是强韧化镁合金的最佳途径。不仅如此，有文献报道晶粒尺寸也是影响合金疲劳性能的关键因素，合金的疲劳强度（σf）与平均晶粒尺寸（d）的关系可以用Hall-Petch 公式，即σf= σ0+Kfd-1/2来描述[82]，其中σ0代表材料单晶的疲劳强度；Kf为Hall-Petch 强度系数，主要取决于晶体各个塑性变形机制的临界剪切应力和材料中交互作用的晶粒的取向关系，如具有织构材料中晶粒的择优取向。

Liu Meng 等[83]发现Al-Cu-Mg 合金在170 °C 的温度下分别时效1 h 和8 h的试样，其疲劳裂纹扩展阻力高于在170 °C 的温度下时效0.5 h 的试样，原因是时效时间越长，晶粒内部析出的Cu-Mg 化合物团簇度越大，这些大的团簇在循环变形中难以溶解，削弱了试样在加载过程中的加工硬化效应，增强了疲劳裂纹扩展的阻力。

郑三龙等[84]对比分析了挤压AZ31B 镁合金圆棒T-L、T-R、L-T 取向的组织和疲劳裂纹扩展行为，指出当ΔK 较小时，加载频率对材料的疲劳行为影响不大。赵建飞等[85]发现激光喷丸增大了镁合金表面的残余应力，这有利于减小材料的裂纹扩展速率，增大试样的最终断裂尺寸，从而延长疲劳寿命。