ZM61變形鎂合金高周疲勞機(jī)制及強(qiáng)化研究.pdf

1、鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、高比強(qiáng)度和機(jī)加工性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在諸多領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣闊，特別是汽車和航空航天等方面。鎂合金作為結(jié)構(gòu)部件在服役過程中往往是承受動態(tài)載荷的作用，因此研究鎂合金的動態(tài)力學(xué)性能（疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等）對鎂合金的推廣應(yīng)用具有十分重要意義。本文以本課題組開發(fā)的 Mg-6Zn-1Mn（wt.％）變形鎂合金為研究對象，首先研究了三種ZM61鎂合金的合金組織和靜態(tài)力學(xué)性能，隨后用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)測

2、試了三種合金分別在全反向拉壓對稱加載（TC加載）和單向拉伸載荷（ZT加載）兩種加載形式下的高周疲勞性能，并且分析了ZM61鎂合金的疲勞失效機(jī)制；使用電子背散射衍射技術(shù)研究了擠壓態(tài)合金疲勞后組織演變機(jī)制；針對ZM61合金提出了擠壓前時(shí)效處理的強(qiáng)化處理工藝（AE處理，Aging before Extrusion），研究了擠壓前不同的時(shí)效處理對擠壓后合金顯微組織和靜態(tài)力學(xué)性能的影響，測試了最優(yōu)工藝下 ZM61合金的高周疲勞性能，最后討論了 A

3、E處理對ZM61合金疲勞失效機(jī)制的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴擠壓態(tài)合金中析出相很少，T5態(tài)合金中的析出相主要是細(xì)長的β1′桿狀相和少量的β2′盤狀相，雙級時(shí)效態(tài)合金存在大量細(xì)小的析出相；三種合金的宏觀織構(gòu)強(qiáng)度和織構(gòu)類型基本一致；雙級時(shí)效態(tài)合金具有最高的拉伸強(qiáng)度；擠壓態(tài)，T5態(tài)和雙級時(shí)效三種狀態(tài)ZM61合金在ZT載荷下疲勞強(qiáng)度明顯高于TC載荷下疲勞強(qiáng)度；在 ZT載荷下疲勞極限分別為169MPa，159MPa和179MPa，雙

4、級時(shí)效合金疲勞強(qiáng)度高于另外兩種合金，T5合金疲勞過程中大量的 Mg-Zn析出相在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)也促進(jìn)了局部應(yīng)力集中，使疲勞裂紋更早萌生，降低疲勞性能；擠壓態(tài)合金，T5態(tài)合金和雙級時(shí)效合金在 TC載荷下疲勞極限分別是113MPa，119MPa和105MPa，盡管雙級時(shí)效態(tài)合金在 ZT載荷下疲勞強(qiáng)度最高，但是在TC載荷下表現(xiàn)出最差的疲勞性能，雙級時(shí)效合金疲勞性能降低與孿生變形相關(guān)。⑵三種狀態(tài)的ZM61鎂合金疲勞斷口均分為三個(gè)區(qū)域，分別是

5、疲勞裂紋萌生區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)，其中疲勞裂紋萌生區(qū)所占面積最小，疲勞裂紋萌生于樣品表面附近，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面平整，可以觀察到疲勞輝紋；與擠壓態(tài)和T5態(tài)合金相比，雙級時(shí)效合金裂紋萌生區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)都可見明顯的孿晶特征，這是因?yàn)殡p級時(shí)效合金晶粒粗大，孿生變形很容易激活；樣品表面的約束較小，疲勞裂紋萌生點(diǎn)集中于樣品表面附近；雙級時(shí)效合金的疲勞裂紋萌生形式有三種，分別是夾雜處開裂，晶界開裂和孿晶界開裂。⑶擠壓態(tài)和T5態(tài)合金在高周次疲勞

6、后原始組織中的粗大晶粒被細(xì)小均勻晶粒替代；雙級時(shí)效態(tài)合金疲勞前后晶粒尺寸沒有變化，疲勞后樣品中可以發(fā)現(xiàn)大量的孿晶，并且越靠近樣品表面，孿晶數(shù)量越多；不同周次疲勞后擠壓態(tài)合金組織中粗晶內(nèi)部出現(xiàn)大量的小角度晶界，循環(huán)周次增加合金平均取向差角增加，織構(gòu)強(qiáng)度弱化；擠壓態(tài) ZM61合金在疲勞過程中晶粒細(xì)化機(jī)制可以用連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制解釋：運(yùn)動位錯(cuò)運(yùn)動到小角度晶界時(shí)被小角度晶界捕獲，小角度晶界的取向差增加，經(jīng)過數(shù)百萬次累積，晶體取向差逐漸變得越來越

7、明顯，原始粗大晶粒被細(xì)分為小晶粒。⑷擠壓前析出的Mg-Zn相參與擠壓過程，擠壓處理后桿狀相和盤狀相全部變成隨機(jī)分布的球狀相，并且兩種相原有的位向關(guān)系完全被破壞；隨擠壓前時(shí)效時(shí)間延長，擠壓后合金顯微組織逐漸變細(xì)；在擠壓比18的條件下擠壓合金組織中存在一些粗大的未再結(jié)晶組織，未再結(jié)晶組織中的第二相仍然保持?jǐn)D壓前的形貌和位向關(guān)系；在兩種擠壓比條件下，擠壓前時(shí)效處理都可以大幅度提升 ZM61鎂合金的拉伸強(qiáng)度，拉伸延伸率和壓縮強(qiáng)度，并且降低合金的

8、拉壓屈服不對稱性。⑸在TC和ZT兩種載荷下，AE處理最優(yōu)工藝下 ZM61合金的疲勞極限分別是139MPa和199MPa，與原有工藝擠壓態(tài)相比，合金的疲勞極限分別提高了23%和18%；在TC載荷和ZT載荷下合金疲勞斷口都可以分為三個(gè)區(qū)域，分別是疲勞裂紋萌生區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)，AE處理合金的裂紋擴(kuò)展區(qū)粗糙度高于原有工藝合金，在裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋中夾雜著一些塑性變形區(qū)，這些塑性變形區(qū)中存在大量的條帶組織；AE處理合金疲勞后組織中發(fā)現(xiàn)大