镁合金疲劳性能的研究现状高洪涛,吴国华,丁文江(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200030)摘要:针对近几年镁合金疲劳性能的研究进行总结,从冶金因素、形状因素、加载制度、介质和温度等方面考察对镁合金疲劳性能的影响。

归纳提高镁合金抗疲劳性能的途径:热处理、滚压强化和喷丸处理等。

提出对镁合金疲劳性能研究的展望。

关键词:镁合金;疲劳性能;影响因素;强化途径中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2003)04-0266-03Review on the Fatigue Behavior of Magnesiu m AlloysGAO Hong-tao,W U Guo-hua,DI NG W en-jiang(Schoo l of M aterials Science and Engineering,Shang hai Jiaotong U niversity,Shang hai200030,China)A bstract:This report provides some of the results of magnesium alloy s studying,especially about its fatigue behavior, in recent years.The facto rs that influence the fatigue behavior of magnesium alloy s can be given from several aspects of metallurgy,form factor,loading system,medium and tem perature.The strengthening methods can be concluded in three aspects.One is heat treatment;the o ther tw o are roller burnishing and shot blasting.In addition,the prospect of fatigue behavio r observation on mag nesium alloy s is discussed.Key words:M ag nesium alloy;Fatigue behavior;Influencing factors;Strengthening approach 综合性能优良的镁合金已大量应用于航空航天、汽车、电子等领域[1]。

据预测,从2001～2007年,镁合金铸件在汽车上的用量将以25%～30%速度递增[2]。

随着镁合金需求的急剧增加,对其性能要求也越来越高。

本文总结近几年镁合金疲劳性能方面的研究,以及提高其性能的建议。

1　镁合金的疲劳与断裂M g属于密排六方结构,此类金属的塑性变形取决于c/a(c为点阵的高,a为基面的边长),Mg的c/a=1.6235,略小于按原子为等径刚球模型计算出的轴比1.633。

孪晶和疲劳变形与现存孪晶的结合是疲劳变形的主要形式,滑移带沿着孪晶带堆积的区域是一些常见的裂纹源。

许多微裂纹是一些微空洞造成的。

位错环集团是Mg典型的疲劳位错结构。

镁合金的疲劳断裂是由最大剪应力控制的,并且沿着最大剪应力方向扩展。

它的解理断裂发生在高指数面上,并且裂纹的形态因孪晶和滑移而强烈变化着。

镁合金疲劳断裂结构中也有一些韧窝特征,它们来源于加载过程中出现并长大直到在塑性应变和塑性断裂条件下联合起来的微空洞,在沉淀相-基体界面处结合力较小,沉淀相或者夹杂物的破碎、局部的应力集中收稿日期:2003-02-17; 修订日期:2003-03-24基金项目:国家863计划资助项目,编号:200233AA1100.作者简介:高洪涛(1976-　),河南洛阳人,博士生.研究方向:镁合金的研究与开发.都可能形成一些微空洞。

2　影响镁合金疲劳性能的因素2.1　冶金因素微观组织对疲劳裂纹的萌生和扩展有很大的影响[3]。

砂型铸造M g-Zn-Zr合金,不管是铸态还是热处理态,晶粒越粗大,疲劳强度越低。

另外,第2相质点或颗粒也影响镁合金的疲劳行为,第2相的切变模量和第2相质点间的平均距离是影响疲劳裂纹扩展速率的重要参数。

另外,在小的ΔK区域,镁合金位错密度越高,疲劳裂纹扩展速率就越低。

镁基复合材料的疲劳性能与断裂特征与其基体上增强颗粒和晶须的尺寸和形态关系密切[4],含20% SiC晶须的AZ91D镁基复合材料低周疲劳断裂后发现,由于晶须散乱的分布于基体之上,裂纹表面粗糙并且裂纹扩展路径看起来很弯曲。

断裂组织观察表明疲劳断裂扩展区和最后断裂区没有明显区别,并且特征是解理断裂。

在冶炼过程中,不可避免的引进一些夹杂物。

这些夹杂物引起应力集中从而降低镁合金的抗疲劳能力,如果夹杂物是尖角,危害更大。

夹杂物分布不均匀时,也会降低疲劳强度。

2.2　形状因素(1)缺口敏感性及表面状况镁合金比铝合金和钛合金有更大的缺口敏感性,变形镁合金比铸造镁合金有更大的缺口敏感性。

·266·铸造技术FO UN DRY TECHN OLOG YV ol.24N o.4Jul.2003镁合金S -N 曲线疲劳数据一般取自于表面抛光试样,但是如果表面不抛光,由于一些表面缺陷可以作为疲劳裂纹源使疲劳强度降低。

2.3　加载制度增加平均应力则降低疲劳强度,这在高强度镁合金中表现得没有在低强度镁合金中显著。

增加应力比也会降低疲劳强度。

2.4　介质的影响(1)腐蚀环境在腐蚀介质(大多数为盐溶液)中的疲劳强度比在实验室空气中有明显下降。

一般来说,镁合金对腐蚀环境非常敏感。

它们的腐蚀疲劳强度可能降低到空气中的10%。

自来水环境中的疲劳S -N 曲线比在空气中更陡,海水比自来水有更强的腐蚀作用,因为氯离子同镁合金表面的保护膜反应,使之失去保护作用。

水蒸气降低镁合金疲劳抗力,氢脆是主要的原因。

通过研究高强镁合金AZ80在空气中与在0.5%和3.5%NaCl 水溶液中以及压铸镁合金AZ91HP 在空气中与在5%NaCl 盐雾中的疲劳行为[6],表明盐水和盐雾恶化镁合金的疲劳性能[9],并且随着循环次数的增加,腐蚀液对疲劳强度的影响越来越显著。

图1是变形镁合金AZ31在3.5%NaCl 水溶液中进行腐蚀疲劳试验后的断面形貌[9]。

(a )腐蚀坑 (b )韧窝特征图1　变形镁合金AZ31腐蚀疲劳试验后断面形貌Fig .1　Section morphology o f AZ31alloy which is tested bycorrupting and fatig ue (2)磨损环境磨损环境下的镁合金的疲劳强度可比在空气中降低50%。

对于硬度高、疲劳强度高的镁合金,磨损环境对其影响不显著。

在磨损疲劳环境中,镁合金表面经常形成氧化物和氮化物,缺口敏感性的影响也不太显著。

磨损环境可以通过表面滚压、喷砂和喷丸来降低其影响。

(3)真空通过研究不同成分和状态的镁合金的疲劳裂纹扩展动力学表明,真空中应力强度因子门槛值ΔK th 和空气中相近。

只是ΔK th 在真空中的增长率比在空气中更平缓,这一点和铝合金相似。

镁合金真空室温条件下的疲劳裂纹不清晰而且不规则,是由于镁合金真空中裂纹尖端塑性区尺寸比在空气中大。

真空中和空气中的疲劳裂纹尖端塑性区的尺寸可用方程h =K max 2/(2πβ2σ0.2ps 2)描述,其中,系数β取决于合金的组织、状态、环境和温度。

某种条件下,镁合金在真空中的疲劳裂纹扩展速率只有在空气中的1/20[7]。

2.5　温度的影响(1)低温同样在真空条件下,室温时镁合金疲劳条纹不清晰、不规则,低温(如140K )时,镁合金疲劳条纹则如同在空气中一样的清晰和规则。

对于镁合金MA12(T2态和T6态)的疲劳过程,当温度从193K 降到140K 时,发现裂纹尖端塑性区的尺寸减小。

疲劳裂纹扩展速率随着温度的降低而降低,疲劳强度随着温度的降低而提高。

(2)高温高温时镁合金弯曲疲劳试验的S -N 曲线和室温时有大致相同的形状,但是疲劳强度降低,疲劳寿命变短。

对压铸镁合金AZ91循环变形行为的研究表明[3],在室温和130℃下,疲劳寿命数据都可以很好的遵循Manson -Coffin 定律。

铸造镁合金的高温疲劳强度一般低于变形镁合金。

此外,文献[10]比较了镁合金和铝合金疲劳行为,发现125℃的温度对于镁合金的疲劳强度没有破坏作用,但此时铝合金的疲劳强度降低了。

随着温度的升高,铸造镁合金和变形镁合金疲劳的缺口敏感性降低,如超过220℃时,缺口敏感性几乎完全消失。

3　提高镁合金疲劳强度的途径镁合金的疲劳断裂往往从表面、表面层或表面下层开始,尤其是在应力集中部位,因此,改善应力集中部位的承载能力,强化一定深度的表面层以克服薄弱环节便可显著提高镁合金的疲劳强度。

3.1　热处理对于镁合金常常通过热处理来提高的它的抗疲劳性能[11]。

固溶处理是最常用的热处理工艺。

对于压铸镁合金AZ91HP 薄板试样,在相同的加载频率下,固溶处理能够降低疲劳裂纹扩展速率,但是随后的时效处理又加剧了疲劳裂纹扩展速率的提高。

经过研究热处理后的AZ91HP 合金在室温空气中的应变控制低周疲劳行为[12],发现经过不同热处理的试样在不同阶段表现出循环应变强化。

固溶处理试·267·《铸造技术》4/2003高洪涛等:镁合金疲劳性能的研究现状样因为较高的应变强化,表现出比压铸试样和固溶时效试样长的疲劳寿命(高应变幅时)和短的疲劳寿命(低应变幅时),尽管它的屈服强度最低。

应变幅大于0.005mm的疲劳断裂表面和拉伸试样断裂表面相似。

SEM检测发现疲劳裂纹扩展区和最后断裂区是解理断裂,但是在裂纹扩展区的断裂面上发现一些浅的韧窝、滑移带和2次裂纹。

另外也有文献[13]对镁合金最佳热处理制度(如温度和时间)进行了研究。

3.2　喷丸处理和滚压强化密排6方结构的镁合金的表面形变强化效果相当显著。

常用的方法有机械抛光[6、11]、喷丸处理[6]和滚压强化[13]等。

通过机械加工提高表面光洁度可提高镁合金的疲劳强度和疲劳寿命。

喷丸处理有利于提高铸造镁合金和变形镁合金的表面质量,可使缺口试样疲劳强度提高20%以上。

机械抛光和喷丸处理都能提高镁合金在空气中的疲劳性能,但在NaCl水溶液中没有发现明显提高。

滚压强化除了得到光滑的表面外,还在表面的足够深度处形成残余压应力,从而得到突出的疲劳性能,甚至在3.5%NaCl水溶液中也是如此[6]。

表面滚压可以使ZM1镁合金的缺口疲劳极限提高到200%以上,较普通结构钢的表面强化效果高出一倍[13]。

ZM1镁合金滚压时通过滑移和孪生两种方式进行塑性变形,伴随着位错密度的显著增高,使表面硬度大幅提高,并在表面层引入高的残余应力和使表面粗糙度得到显著改善,其中表面层的残余压应力是引起缺口疲劳极限大幅度提高和疲劳缺口敏感度显著下降的主导因素。