AZ31B挤压变形镁合金低周疲劳行为研究

耿长建，武保林，刘 芳，佟文伟，韩振宇

(1.中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所 材料应用研究室，沈阳 110015；2.沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)

AZ31B挤压变形镁合金低周疲劳行为研究

耿长建1，武保林2，刘 芳1，佟文伟1，韩振宇1

(1.中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所 材料应用研究室，沈阳 110015；2.沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)

分别研究了挤压变形AZ31B镁合金在非对称载荷与对称载荷下的疲劳行为，结果表明两种加载方式下，疲劳过程随着应变幅的增加，滞回曲线的不对称性均增强；在低应变幅下，位错滑移为主要塑性变形机制；而在较高应变幅下，孪生-去孪生为主要变形机制；同一应变幅下，压-压非对称低应变幅疲劳寿命最长，拉-压对称低应变幅疲劳寿命次之，拉-拉非对称低应变幅疲劳寿命最短。

AZ31B镁合金；滞回曲线；位错滑移；孪生-去孪生

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、良好的铸造性能、较强的电磁屏蔽能力以及易于再生利用等一系列独特的优点，被誉为“2l世纪最具发展潜力和前途的材料”。其结构件在汽车、飞机、计算机、通讯等领域获得了日益广泛的应用[1-3]。由于具有良好的延展率和较高的强度等优点，AZ31B变形镁合金是目前应用最广泛的挤压变形镁合金,被用在发动机输油管路及机匣中。不同的加载方向下，AZ31B变形镁合金呈现各向异性。最近，许多对镁合金在应变控制的低周疲劳的研究表明，加载方式和样品的织构对其疲劳性能具有重要影响[4-10]。研究表明，镁合金低周疲劳过程中每周期都发生孪生-去孪生行为，该行为在镁合金疲劳中起重要作用[11-14]。然而，在以往的研究中，大都加载对称性应变幅进行疲劳实验。同一应变幅下，由对称性应变幅和非对称性应变幅控制的疲劳中产生的初始孪生种类、数量及产生机制大不相同。为了更清楚地了解不同加载方式下的低周疲劳过程中塑性变形机制与疲劳行为之间的关系，本文分别研究了对称载荷、非对称载荷下，不同应变幅对AZ31B镁合金的疲劳行为的影响，这对镁合金材料设计和应用具有重要意义。

1 实验材料及方法

本文采用AZ31B镁合金，其属于Mg-Al-Zn系合金，是目前工业界使用较广泛的一种变形镁合金。合金中加入的Al元素可与Mg形成固溶体，因而可提高合金的力学性能，同时Al元素还可提高合金的耐腐蚀性，减小凝固时的收缩，改善合金的锻造性能，增强铸件强度。Zn是另一种有效的合金化元素，其在镁合金内也是以固溶体存在的，对合金性能的影响和Al相似，但当Zn的质量百分含量高于2%时会导致热裂现象，因而应严格控制其含量。加入Mn元素可提高镁合金的韧性，还能改善镁合金的耐腐蚀性能。合金中的铁、铜、镍等杂质元素会降低合金的耐腐蚀性能，应严格控制其含量。故该合金成本较低。AZ31B的标准成分如表1。

表1 AZ31B镁合金名义化学成分

将合金棒材加工成标距长度30 mm，标距直径6 mm，总长度90 mm的轴向光滑疲劳试样。EBSD样品的电解抛光液为10% HClO4+90%乙醇，电压为30～40 V，电流为1～2 mA，电解抛光的温度为243 K。使用液氮作为制冷剂。抛光后，在酒精中反复冲洗以洗掉样品表面残留抛光液液，吹干后即可。在应变控制的低周实验中，三角波能使应变速率在整个循环拉压过程中保持不变的状态；采用轴向加载方式在MTS实验机上进行实验。

2 实验结果

图1为挤压退火AZ31B镁合金轴向样品的晶粒组织，由图可知，晶粒为比均匀的等轴晶，晶粒平均尺寸为15 μm。

图1 挤压AZ31B镁合金显微组织

图2为退火后棒材挤压方向(ED)反极图，可看到，织构主要由强的<10-10>丝织构组分和较弱的<11-20>丝织构组分构成，两种组分的{0002}晶面都平行于ED。

图2 原始样品反极图

图3为合金在不同应变幅下的应力幅-循环周次曲线。从图3(a)中可以看出，在压-压非对称载荷下，除了1.0%的应变幅外，在其它应变幅变形条件下，应力幅随着循环周次的增加均明显增大，并且应变幅越大，增大率越大。这表明在0.75%应变幅及以下，合金呈现出一种连续的循环硬化特性，并且硬化率随着应变幅的增加而增大；由图3(b)中可以看出，在拉-拉非对称载荷下，在低应变幅(0.3%)时，材料在疲劳初期呈现出轻微的循环硬化后，应力幅随着循环周次的增加基本保持不变。随着应变幅的增加，材料在整个疲劳过程中呈现出弱循环硬化；由图3(c)中可以看出在拉-压对称载荷下，在0.25%应变幅下的疲劳起始阶段，应力幅随着循环周期的增加而增加，然后应力幅基本保持不变。在其它应变幅条件下，应力幅均随着循环周次的增加而明显增加。

图3 不同加载方式下，不同应变幅下应力幅-循环周次曲线

图4给出了不同应变幅下第100周次的真应力-真应变滞回曲线。可以看出，在应变幅低，真应力-真应变曲线形状几乎是对称的；然而随着应变幅的增加，曲线开始出现不对称性，这说明滞回曲线的形状与应变幅有密切关系。同时我们还可以看出，不对称滞回曲线对应的最大拉应力和最大压应力值的变化也是不对称的。

图4 不同应变幅下第100周期的真应力-真应变滞回曲线

3 分析讨论

由于应力越大对材料造成的破坏越大，所以从图3中可见，应变幅越大，循环寿命越短。一般认为，循环硬化是由于位错密度的增加和位错与位错之间以及位错与析出相之间相互作用的增强而造成的，随着应变幅的增加，更多的位错滑移和孪生开动，从而对疲劳寿命产生上述影响。另外，晶界滑移对塑性变形具有重要贡献，因为晶界滑移可以调整塑性应变的各向异性以及使晶界处的应力集中得到释放。低应变幅下应变硬化不明显的原因是低应变幅下晶界滑移和滞弹性起主要作用，而高应变幅下位错滑移和孪生-去孪生起主要作用。据文献[15]所述，低应变幅下疲劳裂纹的产生主要是位错滑移的原因，而高应变幅下裂纹的产生主要是孪生-去孪生的原因。

由图4可知，真应力-真应变滞回曲线的形状与总应变幅有密切关系。Zenner和Renner[16]指出，镁合金拉伸过程和压缩过程中滞回曲线的不对称性主要取决于织构和压缩过程中的孪生及反向拉伸过程中去孪生的初始屈服应力大小。需要注意的是，本实验的结果表明，在低应变幅下，位错滑移为塑性变形的主要机制，这就是低应变幅下滞回曲线为对称性的原因。如上所述，高应变幅下孪生-去孪生为主要变形机制，然而由于存在内应力的原因，去孪生在卸载的过程中即可发生。这种情况下，仍需要位错滑移来调整应变，特别是在拉伸过程中的去孪生后阶段，位错滑移具有较大的作用[17]。这将导致滞回曲线的不对称和较高的最大拉应力。另外，最大压应力和最大拉应力随着应变幅的增加而呈现不对称增加也与该变形机制有关。

一般来说，如果材料在非对称应变循环变形条件下(Ra=0或Ra=-∞)，其应力变化与对称应变循环变形条件下的应力变化有所差异。图5(a)为材料在拉-拉循环变形条件下(Ra=0)的应力随应变变化示意图。在小应变幅下，拉伸开始阶段，首先发生弹性形变，然后是弹塑性变形至a点。卸载后，发生回弹，应力降为零，但残留有小的塑性应变。此时，若将应变回复到零，需要有压缩应力形成反向加载，所需要的压缩应力的大小取决去残留塑性应变的大小和反向压缩过程中材料的屈服应力大小。由于在小应变幅下发生的塑性应变极小，所以从a到b的应力-应变曲线为线性，该过程为弹性应变。在接下来的循环变形过程中，应力-应变响应将沿着图中所示的红色直线在a、b之间往复进行。然而在大应变幅下的循环变形过程中，在拉伸初始阶段发生弹性应变后，从a到c发生较大的弹塑性应变。卸载后，发生回弹，应力降为零，但残留的塑性应变比较大，若将应变回复至零，需要较大的压缩应力。然而，在该过程中却有可能发生塑性屈服，屈服应力的大小取决于塑性变形的大小和是否发生包申格效应[18-20]。理想情况下，从c到d发生弹性应变，在d点发生屈服，而从d到e为弹塑性应变。在接下来的卸载和反向拉伸过程中，应力-应变曲线从e到f为线性，为弹性过程，而从f到c为非线性，为弹塑性过程，由f到c，构成c-d-e-f-c滞回曲线。

图5(b)为压-压循环变形过程中的应力-应变响应曲线。在小应变幅下，压缩初始阶段发生弹性应变，然后弹塑性形变至a点。卸载后，应力减小至零，此时，存在较小的残余塑性应变。由于残余应变很小，反向拉伸为弹性应变，从a点到b点的应力-应变曲线完全呈线性，即此过程为完全弹性变形。在接下来的循环变形过程中，应力-应变响应将沿着图中所示的红线在a、b之间往复进行。在大应变幅循环变形过程中，压缩过程发生弹性应变后，从a到c发生了较大弹塑性应变。卸载后应力减小为零，此时，有较大残余塑性应变。较大残余塑性应变的消除需要较大的拉伸应力，在拉伸过程中可发生塑性屈服。c到d为弹性应变，而从d到e发生的是弹塑性应变。在第二次压缩过程中，从e到f为线性，为弹性过程，从f到c非线性，发生弹塑性应变，构成c-d-e-f-c滞回曲线。因为在卸载过程中由于不同取向晶粒间的内应力作用导致了包申格效应，从而发生了去孪生行为[21-23]，其中也包含了滞弹性的作用。

图5 低应变幅和高应变幅下第一周期滞回曲线示意图

图6为拉-压对称载荷下疲劳样品的透射电镜照片，由图6(a)看出在0.25%低应变幅下疲劳样品中有许多位错，并且有的位错之间相互交错成网状，而在0.75%较高应变幅下疲劳样品中同时有许多孪生和位错(如图6(b)所示)；对于拉-拉、压-压力非对称载荷下，也得出了相同结论即较低应变幅下位错滑移为主要塑性变形机制，而在较高应变幅下孪生-去孪生和位错滑移为主要塑性变形机制。

图6 疲劳样品的透射电镜照片

图7 压-压非对称载荷下，1.0%应变幅下变形组织取向成像图及其相应的取向差分布图

一般认为，镁合金疲劳过程中孪生与去孪生机制的交替是低周疲劳过程中的重要变形机制。从本实验结果发现，在起初的压缩过程中发生了孪生行为，但紧接下来的卸载和反向拉伸过程中去孪生行为并不完全。图7分别给出了压-压非对称载荷下，第一次压缩和卸载、反向拉伸后的变形组织的EBSD取向图及其相应的取向差分布图谱。由图7(a)和7(b)可以看出，大部分孪晶的类型为{10-12}<10-11>拉伸孪晶(用深红线标示)，与基体之间的取向差为<11-20>86°。

4 结 论

(1)由于加载方式不同，在不同应变幅下应力幅-循环寿命曲线呈现不同变化趋势。

(2)疲劳过程中压缩和拉伸阶段不同的塑性变形机制是滞回曲线不对称的主要原因，并且随着应变幅的增加，不对称性增强。

(3)在低应变幅下，位错滑移为主要塑性变形机制；而在较高应变幅下，孪生-去孪生为主要变形机制。

(4)同一应变幅下，压-压非对称低应变幅疲劳寿命最长，拉-压对称低应变幅疲劳寿命次之，拉-拉非对称低应变幅疲劳寿命最短。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

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

国家自然科学基金(项目编号：51171120；090202001)

耿长建(1980-)，男，山东聊城人，博士，工程师，主要从事航空发动机材料疲劳行为及微观变形机制研究，E-mail:gengchangjian2008@163.com。

2095-1248(2014)04-0044-06

V252.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.009