熱處理對(duì)AZ80鎂合金疲勞性能的影響

李 軼， 李慧中，2， 姜 俊， 歐陽(yáng)杰

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083)

鎂合金是目前實(shí)際工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料［1］，具有加工性能好、減震性能好、比強(qiáng)度及剛度高、阻尼性能和切削性能好以及易于回收等特點(diǎn)，因而在航空航天、汽車、電子通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［2～4］。為使鎂合金制備的構(gòu)件獲得穩(wěn)定的使用性能，研究人員在鎂合金熱成形工藝方面進(jìn)行了大量的研究［5～8］。鎂合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工作的過(guò)程中會(huì)承受到交變載荷和腐蝕環(huán)境的共同作用而使其發(fā)生失效，通常發(fā)生失效是由疲勞破壞而引起，故鎂合金的疲勞性能受到越來(lái)越多材料研究學(xué)者和工程設(shè)計(jì)人員的重視［9，10］。

目前，研究者已對(duì)鎂合金的疲勞行為展開(kāi)研究，并探討了加工方式、微觀組織、腐蝕環(huán)境、實(shí)驗(yàn)溫度等因素對(duì)鎂合金疲勞壽命的影響規(guī)律［11～14］，Lugo等［11］研究了不同的軋制變形加工方式對(duì)AZ31 鎂合金疲勞性能的影響，結(jié)果表明，采用薄板軋制工藝制備的樣品的疲勞壽命優(yōu)于擠壓和厚板軋制;Sotomi等［12］研究了微觀組織對(duì)AZ31 鎂合金疲勞性能的影響，結(jié)果表明擠壓方向的疲勞壽命優(yōu)于垂直擠壓方向和軋制方向的疲勞壽命的主要原因是微觀組織里的棒狀結(jié)構(gòu)阻礙了疲勞裂紋的擴(kuò)展。AZ80 作為常見(jiàn)的變形鎂合金之一，疲勞性能是其重要的性能指標(biāo)。目前，關(guān)于AZ80 鎂合金疲勞行為特別是熱處理對(duì)其疲勞行為的影響的研究報(bào)道很少。為此，本課題以AZ80 鎂合金為研究對(duì)象，研究了該合金在不同熱處理狀態(tài)下總應(yīng)變幅控制模式下的疲勞行為，進(jìn)而確定了時(shí)效以及固溶時(shí)效熱處理方式對(duì)AZ80 鎂合金的低周疲勞行為及疲勞壽命的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為AZ80 鎂合金，其化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mass fraction/%)為Al 8.4，Zn 0.6，Mn 0.15，其余為Mg。采用多向鍛造的工藝(開(kāi)鍛溫度為410℃，終鍛溫度為370℃)制成圓餅，然后將其線切割成測(cè)試疲勞性能所需的標(biāo)準(zhǔn)試樣，其標(biāo)距部分長(zhǎng)為25mm，直徑為φ5mm。為了確定熱處理工藝對(duì)AZ80 鎂合金低周疲勞行為的影響，對(duì)部分試樣進(jìn)行了不同工藝的熱處理，其中時(shí)效處理(T5)為將熱鍛態(tài)的試樣在170℃保溫20h 空冷;固溶時(shí)效處理(T6)為將熱鍛態(tài)的試樣在420℃保溫2h 水冷，然后在170℃保溫20h 空冷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同狀態(tài)的拉伸性能影響

表1 所示為AZ80 鎂合金在不同熱處理后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率?？梢钥闯?，AZ80 鎂合金經(jīng)過(guò)T5 處理后其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度均最大，伸長(zhǎng)率最小;而熱鍛態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最低，伸長(zhǎng)率最大;T6 狀態(tài)居中。

表1 AZ80 在不同狀態(tài)下的拉伸力學(xué)性能Table 1 Tensile mechanical properties of AZ80 alloy under different conditions

2.2 熱處理對(duì)合金循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為的影響

圖1 所示為不同熱處理狀態(tài)下，AZ80 鎂合金在不同外加總應(yīng)變幅控制下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。從圖1 中可以看出，在三種不同的熱處理制度下，AZ80 鎂合金大體上都表現(xiàn)為循環(huán)應(yīng)變硬化。相對(duì)于其他熱處理狀態(tài)，T6 狀態(tài)的循環(huán)硬化現(xiàn)象更為明顯。當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.9%時(shí)，在整個(gè)疲勞變形過(guò)程中，T5 的循環(huán)應(yīng)力幅值最高，T6 的循環(huán)應(yīng)力幅值最低，熱鍛態(tài)居中。

圖1 不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金在給定總應(yīng)變幅下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.1 Cyclic stress amplitude vs the number of cycle at different total strain amplitudes under different thermal treatment conditions (a)hot-forging;(b)T5;(c)T6

2.3 熱處理對(duì)合金疲勞壽命行為的影響

圖2 為不同熱處理制度下的AZ80 鎂合金的疲勞壽命2Nf與外加總應(yīng)變幅Δε/2 之間的關(guān)系曲線圖，選取的外加總應(yīng)變幅分別為0. 9%，0. 6%，0.45%，0.35%，0.3%。從圖2 可以看出，熱處理對(duì)AZ80 鎂合金的疲勞壽命有不同程度的影響，具體的影響效果與其外加總應(yīng)變幅密切相關(guān)。在0.9%的最高外加總應(yīng)變幅下，T5 態(tài)呈現(xiàn)最長(zhǎng)的疲勞壽命，T6 態(tài)次之，而熱鍛態(tài)最短;在0.6%的外加總應(yīng)變幅下，T5 態(tài)的疲勞壽命最長(zhǎng)，T6 態(tài)跟熱鍛態(tài)的疲勞壽命差不多;在0.45%的外加總應(yīng)變幅下，T5 態(tài)仍然呈現(xiàn)出最長(zhǎng)的疲勞壽命，其后為熱鍛態(tài)合金，T6 態(tài)的疲勞壽命最短;在0.35%的外加總應(yīng)變幅下，T5態(tài)的疲勞壽命依舊最長(zhǎng)，其后為T(mén)6 態(tài)，而熱鍛態(tài)最短;在最低的0.3%的外加總應(yīng)變幅下，合金熱鍛態(tài)的疲勞壽命最長(zhǎng)，其次為T(mén)5 態(tài)，最短的是T6 態(tài)。

每一個(gè)總應(yīng)變幅Δε/2 都可分為塑性應(yīng)變幅分量Δεp/2 和彈性應(yīng)變幅分量Δεe/2，即

其中，塑性應(yīng)變幅Δεp/2 可以用Coffin-Manson 方程來(lái)表示，即

圖2 不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的外加總應(yīng)變幅-疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.2 Total strain amplitude vs fatigue life (2Nf)under different conditions for AZ80 Mg alloy

彈性應(yīng)變幅可以用Basquin 方程來(lái)表示，即

因而，總應(yīng)變幅Δε/2，塑性應(yīng)變幅Δεp/2，彈性應(yīng)變幅Δεe/2 與循環(huán)加載中的循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)式(4)，即

其中:σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù);b 為疲勞強(qiáng)度指數(shù);E 為材料的彈性模量;ε'f為疲勞延性系數(shù);c 為疲勞延性指數(shù);2Nf為恒幅循環(huán)加載中的循環(huán)次數(shù)。另外，表1 所示的不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的力學(xué)性能可作為疲勞壽命計(jì)算所需的參數(shù)。圖3 所示為不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的應(yīng)變幅-載荷反向周次(即2Nf)之間的關(guān)系曲線，其中Δεp/2 與Δ εe/2均是由半壽命時(shí)的循環(huán)滯后回線得到?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同熱處理狀態(tài)的AZ80 鎂合金而言，其Δεp/2-2Nf和Δεe/2-2Nf在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中大致呈現(xiàn)為線性關(guān)系。

利用圖3 中的數(shù)據(jù)，采用線性回歸的分析方法，即可得到在不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的各個(gè)應(yīng)變疲勞參數(shù)σ'f，b，ε'f，c，具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2 所示。顯然，不同的熱處理方式對(duì)AZ80 鎂合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)有不同程度的影響;其中時(shí)效處理T5與固溶時(shí)效處理T6 均降低了σ'f，ε'f值，卻提高了b，c 值。

圖3 不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金應(yīng)變幅-載荷反向周次關(guān)系曲線Fig.3 Total strain，plastic strain and elastic strain amplitude vs the number of cycles to failure (2Nf)on a semi-log scale at different conditions (a)hot-forging;(b)T5;(c)T6

表2 不同熱處理制度下的AZ80 鎂合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)Table 2 Low cycle fatigue parameters for AZ80 Mg alloy under different conditions

2.4 熱處理對(duì)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響

材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系可以用指數(shù)定律來(lái)表示，即

式中:Δσ/2 為循環(huán)應(yīng)力幅;Δεp/2 為塑形應(yīng)變幅;K'為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù);n'為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。利用圖4 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析方法，即可確定出不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)K'，n'的具體數(shù)值，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2 所示。從表2 中可以看出，無(wú)論是時(shí)效處理還是固溶時(shí)效處理均導(dǎo)致AZ80 鎂合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)K'，n'變小。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Plastic strain amplitude vs cyclic stress amplitude under different conditions for AZ80 Mg alloy

2.5 疲勞斷口形貌分析

圖5 為不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金在0.45%總應(yīng)變幅控制下的疲勞裂紋源區(qū)的微觀形貌圖(圖中箭頭所指處為樣品表面)?？梢钥闯?，不同熱處理狀態(tài)下AZ80 鎂合金的疲勞裂紋都是萌生于疲勞試樣的表面。裂紋斷口呈現(xiàn)放射狀紋理，此外，在相同的總應(yīng)變幅下，T5 態(tài)相對(duì)于熱鍛態(tài)和T6 態(tài)有較為平整的斷面。

圖5 不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金疲勞源區(qū)的微觀形貌Fig.5 Fatigue crack initiation regions of AZ80 Mg alloys under different conditions (a)hot-forging;(b)T5;(c)T6

圖6 為不同熱處理狀態(tài)下AZ80 鎂合金在0.45%總應(yīng)變幅下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌圖。

從圖6 可以看出，在相同的外加總應(yīng)變幅下，不同熱處理后的AZ80 鎂合金中疲勞裂紋擴(kuò)張方式均是以穿晶方式發(fā)生的。此外，其斷口均呈現(xiàn)出明顯的河流花樣，并有解理臺(tái)階，說(shuō)明其疲勞斷口上出現(xiàn)明顯的解理斷裂特征，即脆性斷裂為AZ80 鎂合金發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的一個(gè)重要表現(xiàn)形式［15，16］。此外如圖6d 所示，在熱鍛態(tài)下，存在疲勞條帶。疲勞條帶是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的典型微觀形貌特征。疲勞條帶是一系列基本上相互平行的條紋，條帶方向與局部裂紋擴(kuò)展方向垂直并且沿著局部裂紋擴(kuò)展方向向外凸;由于材料內(nèi)部晶粒取向、晶界和第二相質(zhì)點(diǎn)等顯微組織的差異，裂紋擴(kuò)展可能會(huì)由一個(gè)平面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)平面，因此不同區(qū)域的疲勞條帶有時(shí)分布在高度不同、方向有別的平面上。從圖6d 中可以看出，疲勞條帶顯示為參差不齊、不規(guī)則的脆性疲勞條帶。

圖6 不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌Fig.6 Fatigue crack propagation regions of AZ80 Mg alloys under different conditions(a)hot-forging;(b)T5;(c)T6;(d)fatigue striations in hot-forging

3 討論

合金的疲勞壽命包括裂紋萌生壽命與裂紋擴(kuò)展壽命。鎂合金在熔煉過(guò)程中不可避免地存在著金屬氧化物、氣孔和縮松等缺陷，通常它們被看做小裂紋，因此鎂合金的裂紋萌生壽命很短，疲勞壽命主要是裂紋擴(kuò)展壽命［17］。鎂合金的塑性變形可以通過(guò)平面滑移和波狀滑移這兩種機(jī)制進(jìn)行，較小的外加應(yīng)變幅有利于合金以平面滑移機(jī)制進(jìn)行塑形變形，而較大的外加應(yīng)變幅則有利于合金以波狀滑移機(jī)制進(jìn)行塑形變形。在疲勞變形期間，合金內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)直接發(fā)生交互作用而形成復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài)如Lomer-Cottrell 鎖以及位錯(cuò)纏結(jié)(如圖7d)，進(jìn)而產(chǎn)生阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得位錯(cuò)的可動(dòng)性降低。此外，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中遇到第二相時(shí)，要么借助Orowan 機(jī)制繞過(guò)，要么直接切割過(guò)，都會(huì)在滑移面上產(chǎn)生局部強(qiáng)化，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得困難［18，19］。

因此，為了更清楚地分析不同熱處理狀態(tài)下β-Mg17Al12相的密集程度和位錯(cuò)形貌對(duì)疲勞性能的影響，采用透射電鏡進(jìn)行了組織分析，見(jiàn)圖7。圖中棒狀均為β-Mg17Al12相，從圖7 中可以明顯看到，AZ80-T6 狀態(tài)的β-Mg17Al12相較多，其次為T(mén)5 狀態(tài)，熱鍛態(tài)幾乎沒(méi)有。另外，熱鍛態(tài)中可以看出，位錯(cuò)發(fā)生交叉滑移，形成平行排列的形貌，如圖7b;T5 狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)在晶界處塞積，發(fā)生位錯(cuò)纏結(jié)如圖7d所示，這是由于T5 狀態(tài)是熱變形后直接進(jìn)行時(shí)效處理的，試樣中保留了部分變形時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò);而T6態(tài)則未見(jiàn)明顯的位錯(cuò)，這是因?yàn)樵诠倘芴幚磉^(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶而消失的。并且T6 處理是在420℃進(jìn)行固溶處理的，此時(shí)過(guò)飽和度較大，再進(jìn)行時(shí)效析出的β-Mg17Al12相增多。

圖7 不同熱處理制度下的AZ80 鎂合金的TEM 照片F(xiàn)ig.7 TEM of AZ80 Mg alloys under different conditions (a，b)hot-forging;(c，d)T5;(e，f)T6

從表1 可知，T5 及T6 處理的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度要比熱鍛態(tài)的高，這是由于熱鍛態(tài)析出的強(qiáng)化相較少(熱鍛溫度下可能會(huì)有極少量的第二相β-Mg17Al12析出)，而T5 處理的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度又稍高于T6 處理，這是因?yàn)門(mén)5 處理除了有第二相β-Mg17Al12相強(qiáng)化外，還有位錯(cuò)強(qiáng)化，而T6 處理在固溶過(guò)程中使得晶粒長(zhǎng)大也會(huì)降低合金的強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)表明，T5 及T6 熱處理后AZ80 鎂合金在較高外加總應(yīng)變幅下的疲勞壽命提高。對(duì)于AZ80 鎂合金而言，T5 及T6 熱處理使得第二相β-Mg17Al12相彌散分布于基體中，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)遇到更多阻礙，因而能有效提高其疲勞壽命。此外，對(duì)AZ80鎂合金T5 態(tài)在較高外加總應(yīng)變幅下其疲勞壽命最高的分析如下:T6 處理使得彌散析出第二相β-Mg17Al12相較多，有利于合金以波狀滑移機(jī)制進(jìn)行循環(huán)塑形變形，因而降低合金疲勞變形時(shí)的滑移可逆性，導(dǎo)致合金的疲勞壽命降低;而T5 處理第二相β-Mg17Al12相粒子聚集長(zhǎng)大球化，數(shù)量較少，這是由于鍛造溫度較低，過(guò)飽和固溶量較少，因而時(shí)效析出β相較少，這將有助于合金以平面滑移機(jī)制進(jìn)行循環(huán)塑形變形，因此滑移的可逆性增強(qiáng)，導(dǎo)致合金的疲勞壽命有所提高。

4 結(jié)論

(1)在不同外加總應(yīng)變幅下，不同熱處理狀態(tài)的AZ80 鎂合金大體上都表征為循環(huán)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

(2)熱處理可以有效地提高AZ80 鎂合金在較高外加總應(yīng)變幅下的疲勞壽命，但降低其在較低外加總應(yīng)變幅下的疲勞壽命。在0.3%的最小外加總應(yīng)變幅下，AZ80 熱鍛態(tài)的疲勞壽命最長(zhǎng);在0.9%的最大外加總應(yīng)變幅下，T5 處理的疲勞壽命最長(zhǎng)，而熱鍛態(tài)最短。

(3)不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金的塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅與疲勞斷裂時(shí)的載荷反向周次之間呈線性關(guān)系，可分別用 Coffin-Manson 和Basquin 公式來(lái)描述。

(4)對(duì)于不同熱處理狀態(tài)下的AZ80 鎂合金，低周疲勞裂紋均是萌生于試樣表面，并以穿晶方式擴(kuò)展，疲勞斷口呈現(xiàn)以解理斷裂為主的脆性斷裂特征。

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