鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金拉伸和疲勞行為的研究.pdf

1、節(jié)能減排是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要發(fā)展方向，大型結(jié)構(gòu)件(如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體)減重是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要手段。作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金如果能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的溫度和載荷，那么采用鎂合金代替鋁合金制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體則能夠有效減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，從而明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃料效率。NZ30K(Mg-3Nd-0.2Zn-1Zr，wt.％)鎂合金具有良好的室溫強(qiáng)度和高溫蠕變性能，非常適合用于制備鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及相關(guān)結(jié)構(gòu)部件。鎂合金結(jié)構(gòu)件在服役過(guò)程中

2、往往要承受交變載荷，因此疲勞行為的研究是NZ30K鎂合金材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。
　　本研究以鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金為研究對(duì)象，分別研究熱處理狀態(tài)、晶粒尺寸、主要合金元素含量、鑄造缺陷以及測(cè)試溫度對(duì)合金拉伸和疲勞性能的影響，選取AZ91D-T6商用鎂合金為參考合金，揭示上述多種因素對(duì)鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金拉伸和疲勞行為的影響規(guī)律，并在統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)合金的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，為鑄造NZ30K鎂合金

3、的應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論支持。研究表明：
　　熱處理能夠明顯影響NZ30K合金的拉伸性能：①與鑄態(tài)(As-cast)合金相比，峰值時(shí)效態(tài)(T6-PA：540℃×10h+200℃×14h)合金的屈服強(qiáng)度(144MPa)和抗拉強(qiáng)度(285MPa)分別提高了60%和47%，而延伸率相當(dāng)(8%)。②不同時(shí)效處理合金的屈服強(qiáng)度相差較小(<12MPa)。③與商用AZ91D-T6合金相比，時(shí)效處理態(tài)NZ30K合金表現(xiàn)出更優(yōu)的屈服強(qiáng)度(+30MPa)和

4、抗拉強(qiáng)度(+60MPa)，較高的延伸率(增幅>100%)。與GM汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸用A319-T6鋁合金相比，NZ30K合金屈服強(qiáng)度相對(duì)較低(-58MPa)，抗拉強(qiáng)度較高(+28MPa)，具有兩倍以上的延伸率(由大約3%增加到8%)。
　　熱處理能夠明顯影響 NZ30K合金的疲勞強(qiáng)度(σf)：①與鑄態(tài)(As-cast)合金相比(σf=80MPa)，峰值時(shí)效(T6-PA)處理能夠顯著提高合金的疲勞強(qiáng)度，增幅約為25%(20MPa)。NZ

5、30K-T6-PA合金的疲勞強(qiáng)度要明顯高于商用 AZ91-T6合金的疲勞強(qiáng)度(σf=80MPa)，提高約25%(20MPa)。②滑移帶開裂是鑄態(tài)(As-cast)和T6合金疲勞裂紋萌生的主要方式；而孿晶引發(fā)的循環(huán)變形和不可逆破壞可能是NZ30K-T4合金疲勞失效的主要原因。③As-cast-NZ30K合金在外加總應(yīng)變幅作用下，表現(xiàn)為循環(huán)應(yīng)變硬化；T6-PA合金在較高的外加總應(yīng)變幅下呈現(xiàn)先循環(huán)應(yīng)變硬化和后期循環(huán)軟化，在較低的外加總應(yīng)變幅下

6、則表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定；而T62-OA(540℃×10h+250℃×10h)合金在外加總應(yīng)變幅下呈現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定。與擠壓態(tài)AZ31合金循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉壓不對(duì)稱性不同，各種熱處理狀態(tài)的鑄造NZ30K合金的應(yīng)變疲勞滯后回線并沒有出現(xiàn)明顯的拉壓不對(duì)稱現(xiàn)象。
　　鑄造NZ30K合金的晶粒尺寸(d)與Zr元素的實(shí)際含量(CZr)呈指數(shù)關(guān)系變化：d=Lg(d)=-0.59·Lg(CZr)+1.49。平均晶粒尺寸在43～1562μm范圍內(nèi)，NZ30K

7、合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸d表現(xiàn)出雙Hall-Petch(H-P)符合關(guān)系：當(dāng)平均晶粒尺寸為172～1562μm時(shí)，晶粒尺寸 d強(qiáng)化屈服強(qiáng)度的系數(shù)較大(30～67MP·mm1/2)；當(dāng)平均晶粒尺寸為43～172μm時(shí)，晶粒尺寸d強(qiáng)化屈服強(qiáng)度的系數(shù)較小(11～18MP·mm1/2)。NZ30K合金的晶粒尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響也 H-P符合關(guān)系，即晶粒尺寸越小，材料的疲勞強(qiáng)度越高，且拉壓和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的H-P強(qiáng)化系數(shù)均為10MPa·mm-0.5

8、。減小晶粒尺寸雖然能夠提高NZ30K合金的疲勞性能，但并不明顯影響疲勞裂紋萌生形式。
　　Mg-yNd-0.2Zn-1Zr合金的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度與合金中Nd含量呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。Nd元素以析出相形式存在時(shí)，對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是以固溶原子形式存在時(shí)的3倍，對(duì)疲勞強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是以固溶原子形式存在時(shí)的1.5倍左右。盡管微量Zn的添加可以明顯改善Mg-Nd-Zn-Zr合金在200℃峰值時(shí)效態(tài)下合金的塑性，但Zn元素含量變化對(duì)鑄造Mg-3Nd-

9、1Zr合金的拉伸強(qiáng)度、硬化行為和疲勞性能影響并不明顯。
　　對(duì)比重力金屬型鑄造(GPM)、低壓金屬型鑄造(LPM)和低壓砂型鑄造(LSM)可以發(fā)現(xiàn)，GPM和LPM鑄造的NZ30K合金存在少量縮松，而LSM鑄造的NZ30K合金致密、很少觀察到顯微縮松。縮松能夠顯著降低NZ30K合金的拉伸和疲勞性能。含缺陷的NZ30K合金的疲勞裂紋主要萌生于鑄造缺陷處，而無(wú)缺陷NZ30K合金的疲勞裂紋主要萌生于合金試樣表面，是塑性變形的結(jié)果。雙參數(shù)W

10、eibull分析表明，與疲勞裂紋萌生于滑移帶或者孿晶開裂的情形相比，縮松的存在會(huì)顯著惡化NZ30K合金的疲勞壽命。
　　砂型鑄造NZ30K發(fā)動(dòng)機(jī)缸體關(guān)鍵部位(Bulkhead)比較致密，很少觀察到顯微縮松。氧化物夾雜是惡化NZ30K-T6鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞性能的主要因素。試樣表面或次表面的氧化膜是合金試樣疲勞裂紋萌生的主要原因。減小鑄件中氧化膜的數(shù)量和尺寸，能夠有效地提高鑄件的疲勞性能。室溫下，應(yīng)力幅為88MPa時(shí)，NZ30K-

11、T6合金中的臨界氧化膜尺寸(疲勞壽命超過(guò)1E7)為90μm；150℃下，應(yīng)力幅為72MPa時(shí)，臨界氧化膜尺寸為130μm。與商用AZ91D鎂合金相比，NZ30K-T6鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表現(xiàn)出更高的疲勞強(qiáng)度：室溫情況下，NZ30K-T6合金的拉壓疲勞強(qiáng)度約為88MPa，相對(duì)于商用AZ91-T6合金(65MPa)提高了大約38%，低于商用A319鋁合金(103MPa)。
　　高溫測(cè)試環(huán)境(150℃)會(huì)明顯降低NZ30K-T6合金的屈服強(qiáng)

12、度和疲勞強(qiáng)度。與室溫(RT-25℃)相比，高溫下(ET-150℃)合金的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分別降低了22MPa(13%)和19MPa(23%)。高溫(ET-150℃)對(duì)NZ30K合金疲勞性能的惡化作用大于對(duì)A319鋁合金的惡化作用。
　　當(dāng)不考慮固溶原子之間的交互作用時(shí)，利用公式σ0.2=σ0+ kd-0.5+(kNd1/nCNd+kZn1/nCZn)n，可以較為成功地預(yù)測(cè)T4-Mg-yNd-zZn-xZr合金的屈服強(qiáng)度，預(yù)測(cè)值與

13、試驗(yàn)值之間的誤差為1.98%。當(dāng)固溶原子之間的交互作用以mBS[(CZn+CNd)(1–CNd–CZn)]2形式表示時(shí)，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的平均誤差約減小為1.57%。當(dāng)不考慮固溶原子之間的交互作用時(shí)，利用公式σ0.2(MPa)≈23+18.1d-0.5+114.7CZn+30.2CNd，可以較為成功地預(yù)測(cè)T6-Mg-yNd-zZn-xZr合金的屈服強(qiáng)度，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的誤差為1.87%。
　　統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鑄造Mg-Nd-Z

14、n-Zr合金的疲勞強(qiáng)度(σf)與合金屈服強(qiáng)度(σ0.2)呈線性關(guān)系：σf(T4)≈0.68σ0.2+25，σf(T6)≈0.46σ0.2+32；鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金的疲勞強(qiáng)度(σf)與合金抗拉強(qiáng)度(σb)也呈線性關(guān)系：σf(T4)≈0.29σb+26，σf(T6)≈0.22σb+36；采用上述兩組經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)合金疲勞強(qiáng)度的平均誤差均為3.5%，即根據(jù)鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金的室溫拉伸強(qiáng)度(σ0.2和σb)可有有效的預(yù)測(cè)其