擠壓AZ31B鎂合金及純鎂疲勞裂紋擴展研究.pdf

1、鎂及鎂合金具有低密度，高比剛度和高比強度，易加工回收等優(yōu)點，是電子電器、交通汽車、航空航天和兵工行業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘俳Y(jié)構(gòu)材料。鎂及其合金塑性變形能力差、目前大部分鎂合金構(gòu)件為鑄件，難滿足工程實際在力學(xué)性能和產(chǎn)品形狀尺寸上的需求。變形鎂合金以優(yōu)良機械性能和尺寸、規(guī)格多樣優(yōu)勢受廣泛關(guān)注，成為材料領(lǐng)域研究的重點方向之一。工程實際構(gòu)件往往承受循環(huán)載荷，疲勞失效是在役設(shè)備最主要的失效方式之一。壓力加工易引起鎂合金晶粒擇優(yōu)取向形成織構(gòu)，導(dǎo)致機械性

2、能各向異性，對鎂合金構(gòu)件的疲勞行為和壽命評估有重要影響。研究織構(gòu)鎂合金的疲勞裂紋擴展行為、機理和壽命預(yù)測方法，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　本文針對擠壓純鎂和擠壓AZ31B鎂合金，研究不同方向疲勞裂紋擴展行為和斷裂機理，利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和背散射電子衍射(EBSD)等手段對材料的組織、裂紋擴展行為及斷口進(jìn)行分析，討論了不同方向塑性變形、斷裂機理、裂紋擴展路徑及特征，分析了織構(gòu)對擠壓圓棒不同方向裂紋擴展

3、的影響;分析Walker和Wheeler模型以及Paris公式對常幅和變幅加載下疲勞擴展速率預(yù)測適用性。本文的主要工作和成果如下:
　　研究表明擠壓AZ31B鎂合金圓棒具有纖維狀分層不均勻組織，晶粒粗細(xì)不均勻，大晶粒平均約50μm，小晶粒平均約8μm，部分晶粒沿擠壓方向嚴(yán)重拉長、長大。擠壓純鎂主要由等軸晶粒組成，大部分晶粒平均約150μm，部分晶間夾雜有粒徑約20μm小晶粒，無纖維狀拉長分層組織。擠壓純鎂和AZ31B鎂合金均為強基

4、面織構(gòu)，大部分晶?；嫫叫杏跀D壓方向，c軸以圓棒軸心為中心呈放射狀分布，織構(gòu)指數(shù)分別為15.85和12.65。
　　試樣的取向?qū)D壓AZ31B鎂合金疲勞裂紋擴展行為有重要影響，沿擠壓(T-L)方向和垂直擠壓(L-T)方向裂紋擴展應(yīng)力強度因子幅門檻值在0.95～1.34 MP√m之間，受應(yīng)力比影響不大。徑向(T-R)方向門檻值在1.04～2.43M P√m間，隨應(yīng)力比增加而增加。三個方向裂紋均以穿晶為主和部分沿晶模式擴展，T-L和L

5、-T方向裂紋以第二系列錐面滑移解理模型為主，而T-R方向有錐面滑移也存在沿孿晶界擴展。T-L方向裂紋擴展路徑沿Ⅰ型方向呈直線擴展，裂紋擴展速率最快;T-R方向裂紋呈曲折沿Ⅰ型擴展;L-T方向裂紋擴展嚴(yán)重偏離Ⅰ型方向，裂紋有朝{11(2)0}品面發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分枝趨向，裂紋擴展速率最慢，在近門檻附近出現(xiàn)穩(wěn)定擴展平臺，da/dN-ΔK雙對數(shù)曲線呈三段線性關(guān)系。裂紋擴展速率均隨應(yīng)力比的增加和加載頻率的降低而增加，Walker有

6、效應(yīng)力強度因子模型與Paris公式可以的描述擠壓AZ31B三個方向常幅加載的裂紋擴展速率，可以用于預(yù)測AZ31B疲勞裂紋擴展壽命和安全評估。
　　單幅過載對AZ31B鎂合金疲勞裂紋擴展有延滯作用，但過載影響區(qū)均小于0.35mm，過載后裂紋擴展速率立刻降至一個最小值，但隨著裂紋延展，擴展速率迅速上升達(dá)到過載前水平，過載中沒有發(fā)生裂紋尖端撕裂或偏折現(xiàn)象。高低幅加載過程中，當(dāng)前步加載最大載荷大于后步最大載荷時，裂紋擴展有過載效應(yīng)。當(dāng)前后

7、兩步最大載荷相同時，裂紋擴展受載荷幅控制。Wheeler模型可以合理模擬過載效應(yīng)。
　　擠壓純鎂圓棒三個方向裂紋均以穿晶擴展為主，塑性變形第二系列錐面(11(2)2)<(11)23>和((11)22)<11(2)3>滑移機制為主，T-L和L-T方向趨于沿（11(2)0）面擴展，T-R方向部分晶粒產(chǎn)生{10(1)2}孿生協(xié)助滑移塑性變形，存在和兩種滑移機制。三個方向均呈解理脆性斷裂特征。L-T方向裂紋擴展嚴(yán)