鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金室溫高周疲勞累積損傷行為研究.pdf

1、節(jié)能減排是現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的重要方向，而減重是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的重要手段。作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，采用鎂合金代替鋁合金制造汽車(chē)部件能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的減重效果從而達(dá)到汽車(chē)工業(yè)節(jié)能減排的目的。NZ30K(Mg-3Nd-0.2Zn-Zr，wt.%)鎂合金具有良好的室溫強(qiáng)度和高溫性能，非常適合用于制備鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、汽車(chē)輪轂等結(jié)構(gòu)部件。由于這些部件在服役過(guò)程中往往要承受交變載荷，因此理解NZ30K鎂合金的高周疲勞損傷行為是其成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和汽車(chē)

2、輪轂的理論基礎(chǔ)。
　　本研究以半連續(xù)鑄造小晶粒NZ30K鎂合金(25μm)和砂型低壓鑄造大晶粒NZ30K鎂合金(75μm)為研究對(duì)象，采用激光共聚焦顯微鏡與電子背散射(EBSD)技術(shù)相結(jié)合的方式，系統(tǒng)研究了室溫拉壓高周疲勞條件下，試樣表面兩維和三維疲勞損傷形貌的演變規(guī)律，考察了應(yīng)力大小、疲勞周次、晶粒取向、晶粒尺寸、熱處理狀態(tài)(as-cast、T4&T6)等對(duì)NZ30K鎂稀土合金疲勞累積損傷行為的影響，系統(tǒng)研究了合金室溫高周疲勞過(guò)

3、程中疲勞裂紋萌生行為。研究表明：
　　NZ30K合金在高周疲勞過(guò)程中會(huì)形成兩種典型的損傷形貌：一種是駐留滑移帶，Persistent slip markings(PSMs)，為晶粒內(nèi)部一組平行排列的滑移跡線，是基面滑移在疲勞過(guò)程中產(chǎn)生的損傷；另一種是孿晶帶，Twinning bands(TB)，為晶粒內(nèi)部透鏡狀跡線，其尺寸大于單個(gè)PSM。PSMs和TB的發(fā)生都會(huì)引起晶粒的表面積增加。因此晶粒的表面積增加速率越大說(shuō)明疲勞損傷速率越快

4、。在疲勞損傷過(guò)程中，晶粒表面積增加速率在疲勞初期最大，之后逐漸減小。
　　應(yīng)力大小對(duì)NZ30K合金疲勞損傷機(jī)制影響顯著：當(dāng)疲勞加載應(yīng)力水平與合金的疲勞強(qiáng)度大小相同時(shí)，基面滑移是合金的主要損傷機(jī)制，此時(shí)在疲勞試樣表面極少能夠觀察到孿晶開(kāi)動(dòng)。當(dāng)加載應(yīng)力較大時(shí)(疲勞強(qiáng)度+10MPa)，孿晶損傷機(jī)制才變得更為重要。
　　晶粒取向?qū)辖鸬钠趽p傷影響顯著。一般來(lái)說(shuō)，晶粒的基面施密特因子(Basal Schmid Factor,BSF)

5、越大，晶粒越容易發(fā)生基面滑移，BSF越小，晶粒越容易發(fā)生孿晶；隨著B(niǎo)SF的增加，發(fā)生基面滑移晶粒的比例顯著增加，而發(fā)生孿生的晶粒比例則顯著減少。但晶粒取向并不能完全決定晶粒是否發(fā)生疲勞損傷以及發(fā)生損傷的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同取向的晶粒在相同加載應(yīng)力和循環(huán)周次下，部分晶粒內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重的疲勞損傷，而部分晶粒內(nèi)部則完全觀察不到任何變形條紋。這種損傷差異主要?dú)w因于周?chē)Я５挠绊憽?br>　　晶粒尺寸大小會(huì)顯著影響NZ30K鎂合金的疲勞強(qiáng)度與

6、疲勞累積損傷行為。小晶粒NZ30K鎂合金(25μm)的室溫疲勞強(qiáng)度為69MPa，相對(duì)于大晶粒合金(75μm)(56MPa)提高了23%(13MPa)，由此可見(jiàn)晶粒細(xì)化帶來(lái)的疲勞強(qiáng)度增加效果顯著。在低應(yīng)力幅(加載應(yīng)力幅大小約為疲勞強(qiáng)度值)加載下，小晶粒合金參與疲勞變形的晶粒比例為68.8%，而大晶粒合金僅為32%，在高應(yīng)力幅(大于疲勞強(qiáng)度10MPa)加載下，小晶粒合金參與疲勞變形的晶粒比例為77.9%，而大晶粒合金僅為56.4%。小晶粒合

7、金中參與疲勞損傷晶粒的比例仍然高于大晶粒合金。該結(jié)論說(shuō)明小晶粒合金的疲勞損傷更均勻。因此，改善疲勞損傷在合金中的均勻性，是提高合金疲勞性能的一種有效的途徑。
　　熱處理能夠顯著影響NZ30K鎂合金的疲勞強(qiáng)度與疲勞累積損傷行為。鑄態(tài)大晶粒NZ30K合金(75μm，疲勞強(qiáng)度為56MPa)，經(jīng)過(guò)固溶處理后，疲勞強(qiáng)度提高到68MPa(+21%)，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，疲勞強(qiáng)度提高到89MPa(+59%)。固溶態(tài)合金在低應(yīng)力幅加載下，參與疲

8、勞變形的晶粒比例為54.1%，在高應(yīng)力幅加載下，參與疲勞變形的晶粒比例為83.6%。時(shí)效態(tài)合金在低應(yīng)力幅加載下，參與疲勞變形的晶粒比例僅為3.8%，在高應(yīng)力幅加載下，參與疲勞變形的晶粒比例為54.7%。該結(jié)果表明與鑄態(tài)合金相比，固溶處理后由于共晶相完全溶入基體中，導(dǎo)致合金疲勞損傷變得更加均勻。時(shí)效處理后，由于析出相的存在阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此在低應(yīng)力加載時(shí)滑移和孿生變得非常困難。
　　鑄造NZ30K鎂合金的疲勞裂紋萌生受到應(yīng)力大小

9、、晶粒取向、晶粒尺寸和熱處理狀態(tài)的綜合影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比不同晶粒尺寸和熱處理狀態(tài)的合金疲勞裂紋萌生方式統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)力幅加載時(shí)，幾乎全部的鑄態(tài)，固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)NZ30K合金的疲勞裂紋都萌生于PSMs內(nèi)部。而高應(yīng)力加載時(shí)，在鑄態(tài)小晶粒合金中，滑移帶萌生裂紋和孿晶帶萌生裂紋的百分比為55.6%和44.4%，而在鑄態(tài)大晶粒合金中為75%和25%。在大晶粒固溶態(tài)合金中滑移帶裂紋和孿晶帶裂紋分別為78.5%和21.5%，而在大晶粒時(shí)效態(tài)合金中兩者百