AZ31B鎂合金在高周疲勞過程中的加工硬化/軟化行為及溫度變化

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(太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軌道交通和汽車等領(lǐng)域中具有可替代某些傳統(tǒng)材料的潛力，因而引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1]。在使用過程中，鎂合金部件通常承受循環(huán)應(yīng)力作用[2]，因此疲勞斷裂成為其主要失效形式。鎂合金具有密排六方晶格結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系少、塑性變形能力差，其疲勞問題比鋼鐵材料更突出[3]。

基于能量理論，構(gòu)件在疲勞過程中存在熱耗散現(xiàn)象，并以溫度變化的形式表現(xiàn)出來[4]。近年來，紅外熱像法被廣泛應(yīng)用于力學(xué)行為研究中，如金屬材料疲勞過程中溫度演化研究[5]、疲勞強(qiáng)度測(cè)定[6]、疲勞壽命預(yù)測(cè)[7]等。對(duì)于鋼鐵材料，當(dāng)應(yīng)力水平超過其疲勞強(qiáng)度時(shí)，疲勞過程中的溫度變化可分為初始升溫階段Ⅰ、溫度平衡階段Ⅱ和快速升溫階段Ⅲ等3個(gè)階段。鎂合金在疲勞過程中的溫度變化與鋼鐵材料的不同，由于加工硬化的影響，初始升溫之后會(huì)有一個(gè)溫度下降階段[8]。不同階段的溫度變化可以作為判定不同水平加工硬化/軟化的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)于鎂合金在疲勞過程中的溫度演化已開展了一些研究，但對(duì)其變形機(jī)制的研究還有待深入。

目前，有關(guān)鎂合金加工硬化/軟化行為研究的報(bào)道較多[9-11]，但是將其與疲勞過程中溫度變化相聯(lián)系的研究較少。為此，作者利用紅外熱像儀測(cè)試了AZ31B鎂合金在疲勞和拉伸過程中的溫度演變，利用拉伸試驗(yàn)研究了疲勞過程中合金的加工硬化/軟化行為。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自5 mm厚AZ31B鎂合金擠壓板，其化學(xué)成分見表1，抗拉強(qiáng)度為235.6 MPa，屈服強(qiáng)度為152.6 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為13.19%。

表1 AZ31B鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of AZ31B magnesium alloy (mass) %

采用線切割沿?cái)D壓方向加工出拉伸和疲勞試樣，兩種試樣尺寸相同，如圖1所示。用400#，800#，1000#，1200#SiC砂紙依次打磨試樣表面，去除表面加工缺陷及氧化物，獲得光滑表面。為提高輻射率，在試樣較光滑表面噴涂一層黑色亞光漆，進(jìn)而確保紅外熱像儀測(cè)溫的準(zhǔn)確度。

圖1 疲勞和拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of fatigue and tensile specimens

根據(jù)GB/T 3075-2008，使用PLG-200D型高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制模式加載，最大應(yīng)力σmax分別為95，100，110，115，120，125，130，135 MPa，應(yīng)力比R為0.1，單軸加載頻率為(100±5)Hz。試驗(yàn)測(cè)得的AZ31B鎂合金的應(yīng)力-壽命曲線(S-N曲線)如圖2所示，將循環(huán)107周次不發(fā)生斷裂所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力記為疲勞強(qiáng)度，可見AZ31B鎂合金的疲勞強(qiáng)度為110 MPa。根據(jù)GB/T 228-2002，在DNS200型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm·min-1。在疲勞試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)過程中，采用Vario CAM hr research型紅外熱像儀同步記錄試樣的表面溫度，熱像儀像素為384 pixel×288 pixel，300 K時(shí)的測(cè)量精度不低于0.08 K，紅外錄制頻率為50 Hz。將實(shí)時(shí)記錄得到的最高溫度記為Th，環(huán)境溫度記為Ta，則溫升ΔT=Th-Ta。紅外熱像儀放置在試樣前方0.5 m處，采集的熱圖像由IRBIS?3軟件進(jìn)行處理。

采用離子減薄法制取薄膜試樣，使用JEM-2010型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀形貌。

圖2 AZ31B鎂合金的S-N曲線Fig.2 S-N curve of AZ31B magnesium alloy

圖3 在不同應(yīng)力水平下疲勞時(shí)AZ31B鎂合金表面溫升變化曲線Fig.3 Temperature rise evolution curves of AZ31B magnesium alloy during fatigue under different stress levels

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 疲勞過程試樣的溫度變化

基于能量轉(zhuǎn)化理論，疲勞過程損耗的能量大部分以熱量的形式釋放出來，因此可根據(jù)溫度變化來判定材料的變形程度。由圖3可知，在疲勞過程中當(dāng)最大應(yīng)力大于疲勞強(qiáng)度時(shí)，試樣表面的溫度變化(由溫升曲線判斷)可依次分為初始升溫、溫度下降、溫度穩(wěn)定、快速升溫、斷裂后自然降溫等5個(gè)階段。

疲勞過程中試樣表面的溫度變化是由熱彈性效應(yīng)、非彈性效應(yīng)和熱傳導(dǎo)效應(yīng)的共同作用導(dǎo)致的。第一階段的溫度上升主要是由非彈性效應(yīng)產(chǎn)生的局部塑性變形引起的，大量塑性變形產(chǎn)生的熱量大于熱量的損耗，導(dǎo)致溫度升高。由于鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，室溫下的塑性變形能力差，因此經(jīng)歷第一階段的大量塑性變形后，試樣很快發(fā)生循環(huán)硬化，使得熱傳導(dǎo)效應(yīng)占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致溫度快速下降。在第三階段試樣僅發(fā)生少量的非彈性變形，此時(shí)非彈性效應(yīng)和熱傳導(dǎo)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，溫度達(dá)到穩(wěn)定。在第四階段試樣中的微裂紋萌生并且隨循環(huán)次數(shù)增加而快速擴(kuò)展，同時(shí)裂紋尖端發(fā)生局部塑性變形，導(dǎo)致溫度急劇升高直至試樣斷裂，之后溫度逐漸降至室溫。

圖4 在σmax=100 MPa下循環(huán)10 000周次前后AZ31B鎂合金的TEM形貌Fig.4 TEM morphology of AZ31B magnesium alloy before (a) and after (b) fatigue at σmax of 100 MPa for 10 000 cycles

由圖4可知：未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，試樣的位錯(cuò)密度較低；當(dāng)在σmax=100 MPa下循環(huán)10 000周次后，試樣中的位錯(cuò)密集，密度變大。位錯(cuò)密度的變化表明試樣存在加工硬化現(xiàn)象。

加工硬化是位錯(cuò)與位錯(cuò)、位錯(cuò)與晶界以及第二相等相互作用的結(jié)果。在非線性變形時(shí)，鎂合金內(nèi)部產(chǎn)生很多位錯(cuò)，在運(yùn)動(dòng)過程中位錯(cuò)相互作用產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)，并阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。此外，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在鎂合金基體相中，分布在基體相中的高強(qiáng)度、大尺寸的第二相是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要障礙。當(dāng)遇到第二相時(shí)，位錯(cuò)通過Orowan機(jī)制繞過第二相，或者在第二相前堆積，產(chǎn)生局部強(qiáng)化，影響滑移面的運(yùn)動(dòng)。因此，在疲勞變形初始階段，位錯(cuò)切割第二相也產(chǎn)生一定程度的強(qiáng)化效應(yīng)。

2.2 拉伸過程中的溫度變化

由圖5(a)可知，在拉伸過程中，試樣表面的溫度變化隨時(shí)間的延長(zhǎng)(由溫升曲線判斷)可分為溫度下降、溫度升高、失效后溫度下降等3個(gè)階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的彈性變形階段和塑性變形階段分別對(duì)應(yīng)溫度變化的第一階段和第二階段。第一階段的溫度下降是由熱彈性效應(yīng)引起的[12]，第二階段的溫度升高是由熱塑性效應(yīng)引起的。在第二階段，當(dāng)斷裂前的塑性變形量達(dá)到最大值時(shí)，溫度也達(dá)到最高值，所以溫度變化值可以用于表征拉伸試驗(yàn)中試樣的塑性變形量。由圖5(b)可以看出，從a時(shí)刻到b時(shí)刻，圖像顏色加深，這表明熱彈性效應(yīng)引起了溫度下降，b時(shí)刻溫度可以近似代表試樣拉伸接近彈性極限時(shí)的溫度值，隨后，溫度升高，在斷裂前達(dá)到了最高值，斷裂后又下降。

圖5 在拉伸過程中AZ31B鎂合金的應(yīng)力和溫升變化曲線以及不同時(shí)刻的紅外熱成像Fig.5 Stess and temperature rise evolution curves (a) and thermographic images at different times (b) of AZ31B magnesium alloy during tensile

在疲勞過程中的初始升溫階段、溫度下降階段、溫度穩(wěn)定階段、快速升溫階段和斷裂后自然降溫階段各選擇1個(gè)溫度變化點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)分別為0，5 000，10 000，50 000，80 000周次。分別在以上循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行預(yù)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件同前，σmax=100 MPa，疲勞試驗(yàn)結(jié)束后再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

根據(jù)之前的分析，不同循環(huán)次數(shù)意味著試樣交替發(fā)生了加工硬化和加工軟化。由圖6(a)可以看出：不同程度的加工硬化和軟化會(huì)導(dǎo)致試樣的塑性變形能力不同。由圖6(b)可知，未進(jìn)行疲勞(循環(huán)次數(shù)為0)的試樣在拉伸過程中的最高溫升(ΔT)max最大，經(jīng)5 000，10 000周次應(yīng)力循環(huán)后，試樣在拉伸過程中的(ΔT)max比其他循環(huán)次數(shù)下的低，這是由加工硬化引起的；而經(jīng)50 000，80 000周次應(yīng)力循環(huán)后，試樣在拉伸過程中的(ΔT)max又有所增大。拉伸試驗(yàn)中試樣的溫度變化表明疲勞引起的加工硬化會(huì)阻礙變形，溫度的升高與塑性變形密切相關(guān)，但是和抗拉強(qiáng)度無關(guān)。

圖6 在σmax=100 MPa下循環(huán)不同次數(shù)試樣拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和溫升變化曲線Fig.6 Stress-strain curves (a) and temperature rise evolution curves (b) during tensile of samples fatigued at σmax of 100 MPa for different cycles

由圖7可知，隨循環(huán)次數(shù)增加，試樣的抗拉強(qiáng)度呈先增后降再增的變化趨勢(shì)。抗拉強(qiáng)度的這種變化是由于試樣在疲勞過程中交替發(fā)生了加工硬化和加工軟化。當(dāng)循環(huán)次數(shù)相近時(shí)，隨σmax的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度增大，這是因?yàn)樵谄谠囼?yàn)時(shí)不同應(yīng)力水平引起了不同程度的加工硬化。

圖7 在不同應(yīng)力水平下循環(huán)不同周次試樣的抗拉強(qiáng)度變化曲線Fig.7 Tensile strength variation curves of samples fatigued at different sress levels for different cycles

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)疲勞時(shí)的最大應(yīng)力高于AZ31B鎂合金的疲勞強(qiáng)度時(shí)，AZ31B鎂合金在疲勞過程中的溫度變化可依次分為初始升溫階段、溫度下降階段、溫度穩(wěn)定階段、快速升溫階段和斷裂后自然降溫階段，這5個(gè)階段與拉伸試驗(yàn)證明的加工硬化/軟化有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2) 隨循環(huán)次數(shù)增加，疲勞后試樣的抗拉強(qiáng)度呈先增后降再增的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)槠谠囼?yàn)中試樣交替發(fā)生了加工硬化和加工軟化。

(3) 隨疲勞時(shí)最大應(yīng)力的增加，疲勞后試樣的抗拉強(qiáng)度增大，這是因?yàn)槠谠囼?yàn)時(shí)不同應(yīng)力水平引起了不同程度的加工硬化。

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