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镁锌锆钇合金低周疲劳行为研究


密级: 公开

Mg-Zn-Zr-Y 合金低周疲劳行为研究 Low Cycle Fatigue Behavior of Mg-Zn-Zr-Y Alloys



院:材料科学与工程学院

专 业 班 级:材料成型及控制工程 1006 班 学 号:090201148

学 生 姓 名:尚宇 指 导 教 师:张思倩(讲师)
2014年6月





Mg-Zn-Zr 系变形镁合金具有良好的时效强化效果兼具较好的耐蚀性而成为高强度 镁合金的典型代表,是目前实际应用中最轻的金属结构材料,在汽车工业、航空航天、 电子工业等领域的到广泛的应用。有研究表明:通过向 Mg-Zn-Zr 系变形镁合金中添加 稀土元素可以显著改善合金的塑性。另外,固溶处理以及时效处理也能有效强化镁合金 性能,在疲劳方面,研工作者们也做了大量研究,有研究表明:由于镁合金的表面层或 其附近的应力集中区往往成为疲劳断裂源区,对镁合金进行喷丸、滚压等表面形变强化 可有效提高镁合的疲劳寿命。尽管人们已经对镁合金的疲劳行为进行了一定程度的研 究,但关于含稀土镁合金疲劳问题的研究还存在不足,本课题主要研究 T5、T6 热处理 对挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的显微组织的影响, 以及 T5 处理后合金的疲劳性 能。通过实验讨论并探索不同 Y 元素含量对挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的低周 疲劳性能的影响,为开发综合性能优良的高强高韧镁合金提供必要的理论依据。 实验结果表明, 挤压态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金 Y 含量为 0.5%晶粒细化程度优于 Y 含量为 1.5%时, T5 处理晶粒细化程度优于 T6 处理后晶粒细化程度; 时效态 Mg-7%Zn -0.6%Zr-xY 合金在总应变控制的疲劳加载条件下可表现为循环硬化、 循环软化或稳定的 循环应力响应;随着外加总应变幅的不同,添加 0.5%Y 可以明显提高合金在??t/2 接近 1.0%时的疲劳寿命,添加 1.5%Y 则明显提高合金在??t/2<0.9%时候的疲劳寿命;低周疲 劳加载条件下,时效态 Mg-7%Zn- 0.6%Zr-xY 合金断裂形式为多源断裂,疲劳裂纹以穿 晶方式萌生和扩展,在扩展区呈现高低不平的台阶形式。 关键词:Mg-Zn-Zr-Y 合金;低周疲劳;疲劳寿命;循环应力响应

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Abstract
Mg-Zn-Zr magnesium alloy has good aging strengthening effect with good corrosion resistance and become a typical representative of high strength magnesium alloy, metal str ucture materials for the practical application ofthe lightest, in the automobile industry, a erospace, electronic industry and other fields to the widely used. Research has shown tha t: the plastic deformation of magnesium alloy by adding rare earths can significantly impr ove the alloy to Mg-Zn-Zr system. In addition, solution treatment andaging treatment ca n effectively strengthen the properties of magnesium alloys, in terms of fatigue, researc h workers have done a lot of research,research has shown that: because the surface laye r of magnesium alloy at or near the stress concentration zone often become fatigue fract ure source area, can effectively improve the fatigue life of magnesium alloystrengthenin g magnesium alloy in shot peening, rolling surface deformation.Although it has been on th e fatigue behavior of magnesium alloys were studied to some extent, but the study on t he problem of the fatigue of magnesium alloys containing rare earth is still inadequate, e ffect oftreatment on the microstructure of extruded Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY alloy in this p aper, T5, T6 hot, and T5 treated alloy fatigue performance. Through experiment and explor e the effects on low cycle fatigue properties ofdifferent Y content on the extruded Mg7%Zn-0.6%Zr-xY alloy, for the comprehensive performance excellent high strength and hi gh toughness magnesium alloy provides a necessary theoretical basis. The experimental results show that, the content of Y Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY alloy a s extrusion state grain refinement was better than 0.5% when the content of Y is 1. 5%, T5 processing grain refinement is better than that of T6 treatment after grain refinem ent; aged Mg-7%Zn -0.6%Zr-xY alloyexhibited cyclic hardening, cyclic softening or stabl e cyclic stress responseduring fatigue loading conditions under total strain control with the total strain amplitudes; with different, add 0.5%Y can obviously improve the fatigue life of the alloy in the ??t/2close to 1%, adding 1.5%Y alloy are improved in 0.9% when ??t/ 2<0.9; fatigue life; low cycle fatigue loadingconditions, fracture of aged Mg-7%Zn-0.6%

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Zr-xY alloy for multi-sourcefracture, fatigue crack in transgranular manner initiation and propagationsteps, form a rugged in the extended area.

Keywords: Mg-Zn-Zr-Y alloy; low cycle fatigue; fatigue life; cyclic stress response

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要 ..................................................................................................................................... I

Abstract ..................................................................................................................................... II 第 1 章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 镁合金的发展及应用 .......................................................................................................... 1 1.2 合金元素对 Mg-Zn-Zr-Y 合金的影响 .............................................................................. 3 1.2.1 Zn 及 Zr 对 Mg-Zn-Zr-Y 合金的影响 ............................................................................. 3 1.2.2 稀土元素对 Mg-Zn-Zr-Y 合金的影响 ............................................................................ 3 1.3 镁合金的热处理 ................................................................................................................. 5 1.4 镁合金的疲劳 ..................................................................................................................... 6 第 2 章 实验材料与方法 .......................................................................................................... 9 2.1 实验材料 ...................................................................................................................... 9 2.2 实验设备 ...................................................................................................................... 9 2.3 实验内容及方法 .......................................................................................................... 9 2.3.1 镁合金的熔炼 ................................................................................................................... 9 2.3.2 镁合金的热挤压 ............................................................................................................. 10 2.3.1 合金热处理 ..................................................................................................... 10 2.3.2 合金显微组织观察 ......................................................................................... 10 2.3.4 合金的低周疲劳行为研究 ............................................................................. 11 2.3.5 合金的疲劳断口形貌观察 ............................................................................. 12 第 3 章 实验结果与分析 ........................................................................................................ 13 3.1 合金显微组织 ............................................................................................................ 13 3.2 合金的低周疲劳行为 ................................................................................................ 14 3.2.1 合金的循环应力响应行为 ............................................................................. 14 3.2.2 稀土元素 Y 对合金循环应力响应行为的影响 ............................................ 15 3.3 合金的疲劳寿命行为 ................................................................................................ 17 3.3.1 合金的应变疲劳寿命行为的预测 ................................................................. 17 3.3.2 稀土元素 Y 的含量对合金疲劳寿命的影响 ................................................ 19 3.4 合金的循环应力—应变行为 .................................................................................... 20 3.5 合金的疲劳断口形貌 ................................................................................................ 21 3.6 分析与讨论 ................................................................................................................ 23

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3.6.1 合金的显微组织 ............................................................................................. 23 3.6.3 合金的低周疲劳寿命行为 ............................................................................. 24 3.6.4 合金的低周疲劳断裂行为 ............................................................................. 25 第 4 章 结论 ............................................................................................................................ 26 参考文献 .................................................................................................................................. 27 致谢 .......................................................................................................................................... 30

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第 1 章 绪论
1.1 镁合金的发展及应用
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。是目前实际应用中最轻的金 属结构材料,被誉为 21 世纪的绿色工程金属,近年来在汽车工业、航空航天、 电子工业等领域中迅速发展。 1828 年法国科学家 A.A.Bussy 用金属钾将镁从熔融的氧化镁中置换出来; 1852 年 R.Bunsen 建立了一个小型实验电解槽用电解法生产镁;1886 年以 Bunsen 的电解槽为基础, 在德国建立了首个商业性电解镁厂; 1910 年世界镁产 量约 10t/a,到 1930 年增长到 1200t/a 以上。二战期间镁工业获得了飞速发展; 从 1935 年开始,德、法、苏、奥、意等国分别建立了镁厂,美国的镁产能扩大 了 10 倍,1943 年世界镁产量约为 235kt/a。此期间镁主要用来制造燃烧弹、照 明弹、 曳光弹、 信号弹以及军事和飞机等军用设备的零部件。 二战结束后, 1946 年世界镁产量降低到 25kt/a,世界各国开始考虑镁合金在民用工业的开发和应 用,在以后的 20 年中,美国 Dow 化学公司在开发镁合金及其生产技术方面取 得了突出的成就,为镁及其合金在冶金、航空、电子、兵器、汽车、化学及防 腐、印刷、纺织等民用工业部门的应用开辟了道路,使镁工业出现了连续增长 的势头,实际上从二战结束以来年均增长率在 7%左右,现在世界上镁产能已 达到 550kt/a,2000 年实际产量为 430kt[1-2]。 与其他金属相比,镁合金具有密度小(密度在 1.75~1.85g/cm3 之间,是目 前最轻的结构材料),阻尼性好,导热性、热稳定性、抗电磁干扰性和屏蔽性 能好,铸造性好,切削加工性能优良,尺寸稳定性较好,收缩率稳定、可回收 等性能优点[3-5]。 虽然镁合金具有诸多性能优点,但是镁合金的研究和发展还很不充分,镁 合金的应用也还很有限。目前,镁合金的产量只有铝合金的 1%。镁合金作为 结构应用的最大用途是铸件,其中 90%以上是压铸件[6]。限制镁合金广泛应用 的主要问题是:由于镁元素极为活泼,镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化 燃烧,因此,镁合金的生产难度很大;镁合金的生产技术还不成熟和完善,特 别是镁合金成形技术有待进一步发展;镁合金的耐蚀性较差;现有工业镁合金

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的高温强度、蠕变性能较低,限制了镁合金在高温(150~350℃)场合的应用; 镁合金的常温力学性能,特别是强度和塑韧性有待进一步提高;镁合金的合金 系列相对很少,变形镁合金的研究开发严重滞后,不能适应不同应用场合的要 求。 目前,在镁合的应用方面,因其密度小,尺寸稳定性好,收缩率稳定等性 能特点,主要被用于汽车工业以及航天航空工业中。汽车工业中镁合金用量较 多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。综合部分厂家的使用情况, 目前镁合金材料主要用来制造的汽车零部件,见表1.1所示[7]。而在航天航空方 面的应用主要是在各民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架 结构以及火箭、导弹、卫星的一些零部件。如用ZM2制造WP7各型发动机的前 支撑壳体和壳体盖; 用ZM3镁合金制造J6飞机的WP6发动机的前舱铸件和WP11 的离心机匣;用ZM4镁合金制造飞机液压恒速装置壳体、战机座舱骨架和镁合 金机轮;以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6 铸造镁合金已扩大用于直升机 WZ6 发动机后减速机匣、歼击机翼助等重要零件;研制的稀土高强镁合金 MB25、MB26已代替部分中强铝合金, 在歼击机上获得应用。 表1.1 镁合金在汽车零部件上的应用 部件系统 零部件名称 仪表盘、座椅架、座位升降器、操纵台架、气囊外罩、转向盘、 车内构件 锁合装置罩、转向柱、转向柱支架、收音机壳、小工具箱门、车 窗马达罩、刹车与离合器踏板托架、气动托架踏板等 车体构件 门框、尾板、车顶框、车顶板、IP 横梁等 阀盖、凸轮盖、四轮驱动变速箱体、手动换挡变速器、离合器外 发动机及 传动系统 壳活塞、进气管、机油盘、交流电机支架、变速器壳体、齿轮箱 壳体、油过滤器接头、马达罩盖、汽缸头盖、分配盘支架、油泵 壳、油箱、滤油气支架、左侧半曲轴箱、右侧半曲轴箱、空机罩、 左抽气管、右抽气管等 底盘 轮毂、引擎托架、前后吊杆、尾盘支架

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1.2 合金元素对 Mg-Zn-Zr-Y 合金的影响
1.2.1 Zn 及 Zr 对 Mg-Zn-Zr-Y 合金的影响 按镁合金的合金化学成分分为二元系镁合金:Mg-A1、Mg-Zn、Mg-Mn、 Mg-RE、Mg-Zr和Mg-Li等;三元系及多组元系镁合金:Mg-A1-Zn、Mg-A1-Mn、 Mg-Mn-Ce、Mg-RE-Zr、Mg-Zn-Zr等。其中Mg-Zn-Zr是一种高强度三元系镁合 金。由于其有较高的强度,良好的工艺塑性以及可热处理强化等优点使其成为高 强高韧镁合金的研究热点之一[8]。下面简要介绍主要合金元素的作用: Zn是一种镁合金中比较常用的合金元素, 晶体结构与Mg相同, 均为密排六 方,常与Al、Zr或者RE元素一起使用。Zn在Mg中的固溶度约为8.9%[9],其固溶 度随着温度的降低而显著减小。Zn元素在合金中起固溶强化作用并可以形成强 化相,另外Zn元素还可以可以提高铸件的抗蠕变性能。实验测得Zn含量范围在 0.4~0.7%内时显著提高合金的力学性能,当Zn含量超过2.5%时会对合金的防腐 蚀性能有负面影响。少量的Zn可使合金发生固溶强化,增加熔体流动性,提高 合金的抗腐蚀能力;但Zn过量时,再结晶速率下降,扩大Mg-Zn-Zr系合金的结 晶间隔,影响合金的铸造性能。另外,Zr含量一定,Zn>4.5%时,固相线温度 下降,将对合金的压力加工性能不利。 Mg-Zn系合金通常具有较好的强度和塑性,但其最主要缺点是晶粒粗大, 易形成显微孔洞。而Zr元素是最有效的晶粒细化剂,因为Zr和Mg的晶格常数接 近,使Zr或Zr的化合物可作为镁合金形核衬底,加快形核速率;另外,Zr元素 降低了合金元素的扩散速率, 阻碍晶粒长大, 因此, Zr元素可有效的细化Mg-Zn 系合金的晶粒改善Mg-Zn系镁合金的综合性能[10]。但Zr由于Zr元素还能与合金 中的Fe、Si甚至H、O等元素形成化合物而净化熔体,所以,能起到细化晶粒作 用的只是固溶到在Mg中的Zr。 1.2.2 稀土元素对 Mg-Zn-Zr-Y 合金的影响 稀土元素(RE)包括镧系 15 种元素以及 Sc、Y 共 17 种元素,一般具有较 大的原子半径和化学活性,使其在钢铁和铝、镁等有色金属合金中发挥出特有 的冶炼、合金化作用,素有“工业味精”的美称。据研究表明:添加稀土元素

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后的镁合金强度大大提高,尤其是高温强度,塑性、耐磨性、耐蚀性也有很大 改善。伴随稀土镁合金在各个领域的高速发展,研究稀土元素在镁合金中的作 用将大大促进稀土元素的应用,提升镁合金制品的附加值,有利于我们更有效 的利用稀土元素来改善镁合金的性能, 从而将我国的资源优势转化为经济效益。 稀土元素在镁合金中具有改善力学性能、耐蚀性能、摩擦磨损性能和疲劳 性能等作用[11]。下面简要介绍稀土元素在镁合金中的作用:(1)除气净化[12]。 相比于镁基体,稀土元素优先与镁合金中的氢、硫、铁等夹杂物反应,从而起 到除气精炼、净化熔体的作用。(2)提高流动性[13]。稀土元素与镁易形成简 单的共晶体,这种低熔点的共晶体具有较好的流动性,从而使镁合金的流动性 增强。(3)强化作用[14-17]。①细晶强化:稀土元素在固液界面处集聚产生细等 轴晶,阻碍α-Mg晶粒的长大,同时,α-Mg晶粒也可以以稀土化合物作为形核衬 底,增大了形核率,从而细化镁合金组织;②固溶强化:稀土元素在镁中的固 溶度较大,产生晶格畸变,减慢原子扩散速率,阻碍位错运动;③第二相强化: 由于形成熔点高、热稳定性好、细小弥散的硬脆相,在高温下不易长大变形或 分解,抑制晶界滑移的同时阻碍位错运动;④时效沉淀强化:稀土元素在镁合 金中的固溶度与温度成正比,并在较高温度下形成不稳定的过饱和固溶体。经 过长时间的时效,形成细小弥散的析出沉淀相,析出沉淀相与位错间发生弹性 交互作用、化学交互作用等,增加了滑移变形的阻力。(4)改善耐蚀性能。因 为稀土元素的化学活性好,添加稀土元素后,合金表面会形成如MgO、RE2O3 等致密的氧化物薄膜,从而使镁合金与外界隔绝,抑制镁合金的进一步腐蚀。 我国对稀土变形镁合金的研究工作主要立足于以稀土作为微量添加元素, 通过改变合金凝固组织、显微结构及相组成等以期提高已有变形镁合金的室温 和高温力学性能,或改善合金的变形加工能力等。在镁合金加入少量的 Y 元素 可以显著提高合金的蠕变抗力,且其强化效果甚至高于 Al、Mn 元素。Y 含量 对 Mg-Zn-Zr 合金影响的研究中发现[18-19]:添加适量的 Y 元素,可以起到窄化 晶界,细化晶粒的作用。当 Y 含量为 0.93-0.94%时,Mg-Zn-Zr 合金的抗拉强度 显著提高,伸长率则达到峰值。对比研究稀土元素 Y 和 Ce 对挤压变形 ZK60 合金组织和性能的影响后指出[20]:合金在 400℃ 热挤压过程中,Y 和 Ce 均能 促进合金的再结晶,而 Y 对晶粒再结晶长大的抑制作用更为强烈。因为相比 Mg12Ce 稀土相, Mg3YZn6 相具有更高的熔点和热稳定性, 而且也更加弥散细小,

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所以能更好的阻碍再结晶晶界的迁移而细化再结晶晶粒。当合金在 155℃下时 效 20h 后,0.9%Y 可使合金的室温抗拉强度提高 12.6%,0.9%Ce 可使合金的伸 长率提高 2%。Ce 会对 AZ61 合金的组织和力学性能产生一定影响,实验结果表 明[21]:加入 Ce 后,AZ61 合金组织中的 β-Mg12Al17 相含量降低和尺寸变细,大 部分稀土 Ce 会与 Al 结合生成熔点高热稳定性好合金。

1.3 镁合金的热处理
热处理工艺可以显著改善变形镁合金的力学和加工性能。 Mg-Zn-Zr 系合金 通过热处理强化效果显著。镁合金常见的热处理工艺主要有 O(完全退火)、 T4(固溶处理+自然时效)、T5(人工时效)、T6(固溶处理+人工时效)。其 中,退火可以显著提高镁合金的塑性,对后续加工非常有利;固溶处理可以同 时获得最大的强度、抗冲击性和韧性。固溶和人工时效的实验时间长是镁合金 热处理的独特之处,主要是因为在镁合金中,元素扩散和合金相分解都是缓慢 的变化过程。 固溶处理是指将合金加热到高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶解到固 溶体中后快速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺。主要目的是使合金中 各种相充分溶解,强化固溶体,并提高韧性及抗蚀性能,消除应力与软化,以 便继续加工或成型。固溶处理是实现合金固溶强化的主要途径,同时可以对合 金的显微组织产生重要影响。 时效处理可分为自然时效和人工时效两种,人工时效是通过人为的方法消 除或减小淬火后工件内的微观应力、机械加工残余应力,防止变形及开裂、稳 定组织以及稳定零件形状尺寸。其方法是:将工件加热到 550~650℃,保温 5~20h 后,随炉或在空气中冷却。它比自然时效节省时间,残余应力去除较为 彻底。时效处理特别是人工时效处理是实现合金第二相强化的直接手段, Mg-Zn-Sn 合金属于典型的时效强化型合金。 不 同 的 镁 合 金 系 , 其 热 处 理 工 艺 也 有 所 不 同 [22-25] 。 如 对 铸 态 Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr 合金进行 T4、T6 热处理后,与挤压态和 T4 态合金相比, T6 态合金的 σ0.2、σb 值最大,分别为 260MPa 和 175MPa,而 T4 态合金的断裂 伸长率最高,达到 10.5%;挤压态 Mg-5.7Zn-0.4Zr-0.9Y 合金经过 T5、T6 热处 理后,合金的抗拉强度按照 T5 态、T6 态、挤压态的处理顺序依次降低,而合

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金的断裂伸长率则按照挤压态、T5 态、T6 态的处理顺序依次增大;通过对 T5 处理后的 Mg-5.5Zn-0.7Zr-0.9(Y/Ce)合金拉伸性能比较后,分别添加 Y 和 Ce 后,合金的拉伸性能较挤压态相比均有提高,但 Y 的作用更加显著。 刘先兰[26]等研究了 T5、T6 热处理对挤压变形 Mg-5.5Zn-1.7Nd-0.7Cd-0.5Zr 合金的显微组织和力学性能的影响。合金的晶粒尺寸按照 T6 态、挤压态和 T5 态的处理顺序依次减小。尽管 T6 热处理后,合金的拉伸性能较挤压态相比显 著降低,但 T5 热处理后合金的拉伸性能比挤压态略高。而且,经过 T5 (120° C× 15h)热处理后,合金的硬度高达 71.45HV。 赵亚忠[27]等通过分别对 ZK20 和 ZK20+0.5%Nd 镁合金进行均匀化退火, 观察到随着退火温度的增加,ZK20 合金组织粗化,MgZn 化合物发生偏析直至 消失。相比而言,ZK20+0.5%Nd 合金组织随退火温度升高而明显细化,并在晶 界处发生 Mg-Nd-Zn 三元系化合物积聚。在常温拉伸加载条件下, ZK20 和 ZK20+0.5%Nd 合金的拉伸性能与退火温度间呈“N”状变化,即随着退火稳定 的增加,合金的拉伸性能呈先降后增的趋势。当退火温度为 663K 时,ZK20 合 金的拉伸性能最高,而当退火温度为 603K 时,ZK20+0.5%Nd 合金的拉伸性能 出现峰值。 周天承[28]等在 Mg-5Zn-0.5Zr 合金中联合加入 1%Ca、1%Er、1%Nd,研究 固溶时间对合金组织和性能的影响。对合金分别进行 T1、T4、T6 热处理,改 变固溶时间从 0 增加到 12h 时,不同处理状态的合金组织均粗化。其中,T6 热 处理使合金的常温拉伸性能降低, T1 热处理则使合金的常温和高温拉伸性能均 提高。

1.4 镁合金的疲劳
材料的疲劳指的是材料在循环载荷作用下所发生的性能变化,一般人们按 照断裂寿命和载荷高低不同对其进行分类即分为高周疲劳和低周疲劳两大类。 高周疲劳又称低应力疲劳, 产生宏观裂纹或完全破坏的循环次数 (Nf) 超过 5× 104 周次;而低周疲劳对应称为高应力疲劳,断裂寿命较短,Nf=102~105 周次。镁 合金的主要失效形式是积累损伤导致的疲劳断裂。 低周疲劳的特点:

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(1)在低周疲劳过程中,机件或构件的名义应力低于材料的屈服强度,但在 实际机件缺口根部因应力集中却能产生塑性变形,且控制缺口根部的变形,使 缺口根部与机件本身受到不同应力作用,导致低周疲劳裂纹产生于缺口根部。 (2)由于低周疲劳变形期间塑性变形量较大,所以材料的低周疲劳规律用 △ εt-N 曲线进行描述。 (3)低周疲劳微观断口具有较粗、间距较宽的疲劳带且不连续。并且由于疲 劳变形过程中应力较大,裂纹容易形核,导致低周疲劳断口会出现几个裂纹源 的情况。 (4)无论是低周疲劳还是高周疲劳寿命都是循环塑性变形累积损伤造成的, 不同的是低周疲劳寿命只受塑性应变幅的影响,而高周疲劳寿命的影响因素是 应力幅或应力场强因子范围。 疲劳的研究已经成为科学研究和应用研究中的一个重要领域。据统计,在 整个失效件中疲劳破坏占 4/5 以上,它对人身事故及经济损失有极大的危险性, 因此工程技术界对合金的疲劳研究特别重视,力图从材料的各个领域对其研究 来寻找有效的解决方案。目前关于金属材料的疲劳已经有很多研究,例如应力 应变曲线、疲劳裂纹萌生及扩展、疲劳破坏过程及机理等。镁合金作为一种新 型结构材料,对其疲劳行为的研究还不是很深入,但随着镁合金应用范围的不 断扩大,研究人员对镁合金的疲劳疲劳性能研究越来越重视。 目前,科研工作者们对镁合金的疲劳行为已经做了相当多的研究,丰富和 发展了镁合金的理论研究。如:Zuberoua 等[29]对不同处理状态的 AZ31 镁合金 的研究表明,疲劳变形初期,合金的疲劳寿命按照热轧态、等径角挤压态和压 铸态的顺序依次降低;疲劳变形中后期,压铸态合金的疲劳寿命最低,而热轧 态和等径角挤压态合金的疲劳寿命相近。许道奎等[30]对挤压态镁合金 ZK60 的 超高周疲劳性能研究表明,在应力幅值为 5× 106~108 范围内,合金的疲劳周次 呈水平直线, 疲劳周次<108 时, 合金的疲劳裂纹出现在合金的加工表面或亚表 面,疲劳周次>108 时,则在合金的内部发现裂纹萌生。尹树明 [31]等对一道次 等通道转角挤压(ECAP)处理后的 AZ31 镁合金挤压棒材的低周疲劳性能研究 表明,合金经过 ECAP 处理后,其拉伸屈服强度和压缩屈服强度比约为 0.8,表 现出明显的拉-压屈服非对称性。当应力幅值<5× 10-3 时,合金在整个疲劳变形 周期中表现为循环稳定;当应力幅值>5× 10-3 时,AZ31 镁合金在整个疲劳变形

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过程中循环应力幅值显著下降。而且,在较低的应变幅值,合金由于疲劳裂纹 萌生寿命增大导致疲劳寿命提高;在较高的应变幅值,合金由于疲劳裂纹扩展 寿命减小导致疲劳寿命降低。

1.5 本课题研究的目的与意义
镁合金因密度小,比强度、比刚度高、资源储备丰富、可循环再利用等优 点,被誉为21世纪的绿色工程金属,在汽车工业、航空航天、电子工业等领域 的到广泛的应用,但由于镁元素极为活泼;耐蚀性较差;常温力学性能差;合 金系列相对较少等劣势造成镁合金开发和研究不充分的窘境。稀土元素在镁合 金中具有改善力学性能、耐蚀性能、摩擦磨损性能和疲劳性能等作用,如添加 适量的Y元素,可以起到窄化晶界,细化晶粒的作用。同时热处理也可大幅度 改善镁合金的性能,如固溶处理实现的固溶强化以及时效处理实现的第二项强 化。在镁合金的疲劳方面,科研工作者们也做了相当多的研究,有研究表明: 由于镁合金的表面层或其附近的应力集中区往往成为疲劳断裂源区,对镁合金 进行喷丸、滚压等表面形变强化可有效提高镁合的疲劳寿命;表面强化处理可 在机件表面抑制或延迟疲劳裂纹的形核与扩展,提高零件的疲劳性能;喷丸强 化会产生的残余应力使得疲劳裂纹萌生于次表层,相对表层而言位错受到周围 晶粒的约束更大,滑移和开动时需更大的临界应力,提高合金的抗疲劳裂纹萌 生的能力。 尽管人们已经对镁合金的疲劳行为进行了一定程度的研究,但关于含稀土 镁合金疲劳问题的研究还存在不足,本课题主要研究 T5、T6 热处理对挤压变 形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的显微组织,以及 T5 热处理后合金的疲劳性能。 通过实验研究以期为 Mg-Zn-Zr 系合金的组织性能控制及其进一步工程应用提 供可靠 的理论 依据 , 讨论并 探索不 同 Y 元素含 量对 挤 压变 形 Mg-7%Zn -0.6%Zr-xY 合金的低周疲劳性能的影响,为开发综合性能优良的高强高韧镁合 金提供必要的理论依据。

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第 2 章 实验材料与方法
2.1 实验材料
实 验 材 料 为 挤 压 变 形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合 金 和 挤 压 变 形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合金。 其中实验原料为 99.98%的纯镁、 99.99%的纯锌以 及 Mg-30%Zr 和 Mg-30%Y 中间合金,合金名义成分见表 2.1。 表 2.1 Mg-Zn-Zr-Y 合金的主要化学成分(Wt%) 合金序号 1 2 Zn 7 7 Zr 0.6 0.6 Y 0.5 0.5 Mg Bal. Bal.

2.2 实验设备
(1)合金的熔炼:SG5-10 型坩埚电阻炉; (2)合金的挤压:1250 吨卧式挤压机; (3)合金的显微组织观察:NEOPHOT-21 型卧式金相显微镜 (4)金的热处理:SX-4-10 型箱式电阻炉; (5)合金的低周疲劳实验:PLD-50 型电液伺服疲劳试验机; (6)合金的疲劳断口形貌观察:S-3400N 型扫描电子显微镜。

2.3 实验内容及方法
2.3.1 镁合金的熔炼 首先根据所需合金的化学成分分别计算出实际需要工业纯锌、Mg-30%Zr 和 Mg-30%Y 中间合金的质量,并按照 4%的烧损率计算镁的质量,称好后用床 锯把纯镁切成可以全部放入坩埚的镁块。熔炼前检查保护气体的进气管是否疏 通,以及需要的坩埚是否完好无损,并保证熔炉内壁和坩埚干净。实验时首先 将真空的电阻炉加热,然后将放有镁块的坩埚放入 760° C 的熔炉中加热至镁块

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完全熔化,在此过程中,为了防止镁合金熔体氧化甚至燃烧,要将事先预热的 氩气通气管伸入镁液中,并保证氩气一直通入镁液中,以达到除氢、精炼的效 果,并在熔体表面形成致密氧化膜防止镁合金的氧化。确定镁合金铸锭完全熔 化后,依次加入 Mg-Zr 和 Mg-Y 二元系中间合金,保温 30 分钟后人工搅拌镁 液约 10 分钟,然后停止通入氩气,用夹子把需加入的锌块放入镁液内,确认熔 化后再拿出夹子,除去熔液表面的夹杂物再浇铸。为了防止断流,要将镁液缓 慢地浇入金属模具内浇注成 130mm 的铸锭,为镁合金的热挤压做准备。 2.3.2 镁合金的热挤压 将箱式加热炉温度设为 360° C~370° C 之间,把熔炼成的镁合金铸锭放入炉 中加热,并保温 1.5h,然后将试样铸锭挤压成直径约为 20mm 的棒材,挤压 比为 42:1,挤压温度保持在 380° C~390° C 之间,挤压速度为 0.1m/s~0.15m/s。 2.3.1 合金热处理 使用国产 SX-4-10 型箱式电阻炉分别对 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金、 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金进行 T5 处理和 T6 处理,其处理工艺为:人工时 效(T5):时效温度(175± 5)° C,保温 10h,空冷;固溶+人工时效(T6): (425± 5)° C× 5h+(175± 5)° C× 10h 后水冷。 2.3.2 合金显微组织观察 使用 NEOPHOT-21 型卧式金相显微镜对挤压变形的 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的 T5 态、T6 态试样进行微观组织分析,观察并记录热处理对不同含 Y 量 的挤压变形镁合金组织的影响。相试样制备及观察过程如下: (1)取样:锯下实验用的试样,约 1cm 左右。 (2)磨光:在磨光机上依次用使用 800 号、1000 号、1500 号砂纸对试样各 打磨一次,使试样表面平整并且没有较深的划痕。 (3)抛光:再抛光机上对试样进行抛光,约 10s 用水冷却一次,直到使试样 呈现光滑无痕的镜面为止。

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(4)侵蚀:采用混合酸溶液(配比为:70mlHF 甘油,18ml 乙酸,7ml 盐酸, 5ml 硝酸)浸泡脱脂棉,然后用脱脂棉轻轻擦拭抛光面,保持 5s 左右,待表面 变成暗的银灰色后停止擦拭,立即用酒精冲洗,然后用吹风筒烘干后即可金相 观察。 2.3.3 疲劳式样制备 按照图 2.1 通过车削加工的方法进行式样制备,为保证式样标距及光洁度, 制备后用 600 号砂纸进行打磨。

图 2.1 拉伸试样形状与尺寸(mm) 2.3.4 合金的低周疲劳实验 利用 PLD-50 型电液伺服疲劳试验机分别对时效态(时效温度(175± 5)° C, 保温 10h,空冷)的 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金、Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合 金进行外加总应变幅控制下的室温低周疲劳实验,用以确定 Y 含量对 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金低周疲劳加载下的循环应力响应行为、 应变疲劳寿命 行为以及循环应力应变行为的影响。 采用轴向拉-压全反向总应变控制模式低周进行疲劳实验。 实验环境为实验 室静态空气介质,实验温度为室温。采用的应变比 Rε=-1 ,名义总应变幅在 0.3%~1.0%范围之间。采用的波形均为正弦波,循环频率均为 1Hz。所有疲劳 实验均进行至试样断裂时为止,且以断裂时所对应的循环周次作为合金在相应 实验条件下的疲劳寿命 Nf。

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2.3.5 合金的疲劳断口形貌观察 利用 S-3400N 扫描电子显微镜观察不同处理状态的镁合金 Mg-7%Zn0.6%Zr-0.5%Y、 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 的疲劳断口形貌, 用以确定 Mg -7%Zn -0.6%Zr-xY 合金的疲劳裂纹萌生和扩展机制,以及疲劳断裂机理。

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第 3 章 实验结果与分析
3.1 合金显微组织
图 3.1 为时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金 (时效温度(175± 5)° C,保温 10h,空冷)显微组织。

(a)

(b)

20μm (a) 0.5Y, T5 态 (b)1.5Y, T5 态

20μm

图 3.1 T5 处理状态的挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的显微组织 由图可知,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金的晶粒尺寸比明显时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金的小,但时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金的 晶界比时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金更清晰。 图 3.2 为 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合 金 经 过 固 溶 + 人 工 时 效 处 理 状 态 ((425± 5)° C× 5h+(175± 5)° C× 10h 后水冷)的显微组织。 由 图 可 知 , 合 金 组 织 中 的 晶 粒 为 等 轴 晶 固 溶 + 时 效 态 Mg-7%Zn -0.6%Zr-0.5%Y 合金的晶粒尺寸略小于固溶 +时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合 金,对比图 3.1 可知,相对于时效处理,固溶 + 时效处理后 Mg-7%Zn -0.6%Zr-0.5%Y、Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金的晶粒发生明显粗化,并且晶界 开始变得平直, 呈现平直的多边形状态。 这是因为合金中的第二相粒子在固溶+ 人工时效处理后逐渐长大降低再结晶速率,从而使合金的组织发生粗化[32]。综 上所叙述,采用时效处理工艺(时效温度(175± 5)° C,保温 10h,空冷)对 Y 含

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量为 0.5%的挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金处理得到的合金显微组织的细 化程度最优。 (a) (b)

20μm (a) 0.5Y, T6 态 (b) 1.5Y, T6 态

20μm

图 3.2 T6 处理状态的挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的显微组织

3.2 合金的低周疲劳行为
3.2.1 合金的循环应力响应行为 图 3.3 为经过时效处理(时效温度(175± 5)° C,保温 10h,空冷)的挤压态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金循环应力响应曲线,其中 3.3a 为 Y 含量为 0.5%的时 效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金的合金循环应力响应曲线, 3.3b 为 Y 含量为 0.5%的时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金的合金循环应力响应曲线。 如图 3.3a 所示,??t /2=0.3%时,在疲劳变形开始阶段时效态 Mg-7%Zn0.6%Zr-0.5%Y 合金出现稳定的循环应力响应行为, 在变形中后期开始循环应变 硬化;??t /2=0.45%以及??t /2=0.6%时,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金在 整 个 疲 劳 变 形 期 间 表 现 出 明 显 的 循 环 应 变 硬 化 ; ??t /2=0.8% 时 , 时 效 态 Mg-7%Zn- 0.6%Zr-0.5%Y 合金在疲劳变形开始阶段应力幅值变化较小,但随着 疲劳变形进行到中后期,应力幅值迅速变大并出现循环应变硬化现象; ??t /2=1.0%时,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr -0.5%Y 合金在整个疲劳变形期间出现明 显的循环应变硬化并且应力幅值略低于??t /2=0.8%时。

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如图 3.3b 所示,??t /2=0.3%、??t /2=0.45%以及??t /2=1.0 %时,在整个疲劳 变形期间时效态 Mg-7%Zn- 0.6%Zr-1.5%Y 合金只呈现循环硬化现象, 且在疲劳 变形初期硬化程度都比较小, 但在疲劳变形中后期, ??t /2=0.45% 以及 ??t /2=1.0 %时的硬化程度均高于??t /2=0.3%时;??t /2=0.6%以及??t /2=0.8 %时,时 效态 Mg-7%Zn- 0.6%Zr-1.5%Y 合金在疲劳变形初期的循环应变硬化周期较长, 且在疲劳中后期出现循环应变软化。

210

Cyclic stress amplitude (MPa)

180 150 120 90 60 10
0

Cyclic stress amplitude (MPa)

(a)

0.3% 0.45% 0.6% 0.8% 1.0%

200 180 160 140 120 100 80 60

(b)

0.3% 0.45% 0.6% 0.8% 1.0%

10

1

10

2

10

3

10

4

40 0 10

10

1

10

2

10

3

10

4

Number of cycles, Nf

Number of cycles, Nf

(a)0.5Y

(b)1.5Y

图 3.3 T5 处理后挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的循环应力响应曲线 3.2.2 稀土元素 Y 对合金循环应力响应行为的影响 图 3.4 为时效处理后挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金总应变幅一定下的 循环应力响应曲线。 由 3.4a 所见, ??t /2=0.3%时, 时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值在整个疲劳变形期间始终高于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合 金;由 3.4b 所见,??t /2=0.45%时,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力 幅值在疲劳变形初期略高于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合金, 且随着疲劳变 形进行,在疲劳变形中后期,二者应力幅值差异进一步加大;由 3.4c 所见,??t /2=0.6%时,疲劳变形初期,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值小 于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合金, 但随着疲劳变形进行, 在疲劳变形后期, 时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值反而高于时效态 Mg-7%Zn -0.6%Zr-1.5Y 合金;由图 3.4d 所见,??t /2=0.8%时,疲劳变形初期,时效态

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Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值小于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合 金,但随着疲劳变形进行,在疲劳变形中后期,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值反而高于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合金;由图 3.4e 所见,

??t /2=1.0%时,疲劳变形初期,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值
明显低于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5Y 合金,但随着疲劳变形进行,在疲劳变 形后期, 时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5Y 合金的应力幅值略高于时效态 Mg-7%Zn -0.6%Zr-1.5Y 合金。
130

Cyclic stress amplitude (MPa)

Cyclic stress amplitude (MPa)

120

(a)

(b)
125 120

100

80

115

T5 treated, ??t/2=0.3%
60

T5 treated, ??t/2=0.45%
110

0.5Y 1.5Y
0

0.5Y 1.5Y
10
1

10

10

1

10

2

10

3

10

4

105 0 10

10

2

10

3

10

4

(a)??t/2=0.3%

Number of cycles, Nf

Number of cycles, Nf

(b)??t/2=0.45%
220 200 180 160

Cyclic stress amplitude (MPa)

210

180

150

Cyclic stress amplitude (MPa)

(c)

(d)

120

90 10
0

T5 treated, ??t/2=0.6% 0.5Nd 1.0Nd 1.5Nd
10
1

T5 treated, ??t/2=0.8%
140 120 0 10

0.5Y 1.5Y
10
1

10

2

10

2

10

3

Number of cycles, Nf

Number of cycles, Nf (c)??t/2=0.6%

(d)??t/2=0.8%

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240

Cyclic stress amplitude (MPa)

(e)
210

180

150

T5 treated, ??t/2=1.0% 0.5Y 1.5Y
10
1

120 0 10

10

2

Number of cycles, Nf

(e)??t/2=1.0% 图 3.4 T5 处理后挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金不同应变幅下循环应力响应 曲线

3.3 合金的疲劳寿命行为
3.3.1 合金的应变疲劳寿命行为的预测 对于外加总应变幅控制的疲劳试验,总应变幅由塑性应变和弹性应变两部 分组成[33],即:

?εt/2=?εp/2+?εe/2

(3.1)

其中,?ε t/2 为总应变幅,?εp/2 为塑性应变都幅,?εe/2 为弹性应变幅(式 3.2 即为人们所熟知的 Coffin-Manson 公式,而式 3.3 则是在 Basquln 公式中引 入弹性模量而得到的)。弹性应变和塑性应变与疲劳寿命 Nf 的关系分别为:

?εp/2=ε'f(2Nf) ?εe/2=
?'f
E

c

(3.2) (3.3)

(2Nf)b

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其中 ε'f 为疲劳延性系数,c 为疲劳延性指数,σ'f 为疲劳强度系数,b 为疲 劳强度指数,2Nf 为发生疲劳破坏时的载荷反向次数,E 为杨氏模量。由式 3.1, 式 3.2 以及式 3.3 可得:

?εt/2=ε'f(2Nf) +

c

?'f
E

(2Nf)b

(3.4)

式 3.4 即为总应变幅与低周疲劳寿命间的关系。 若可确定式 3.4 中各个参数 的具体大小即可得到?εt/2-2Nf 的具体的表达式,并进而以外加总应变幅为参数 对合金的应变疲劳寿命进行预测。 图 3.6 为时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金塑性应变幅和弹性应变幅与断裂 时的载荷反向周次(2Nf)之间的关系曲线。其中塑性应变和弹性应变是由半寿命 时的循环寿命的循环滞后回线求得。 由图可知,塑性应变和弹性应与载荷反向周次(即?εp/2-2Nf 和?εe/2-2Nf)均 大致呈直线关系。通过图 3.6 中的实验数据,利用线性回归的方法进行分析即 可确定出时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金各个疲劳参数(即 ε'f,c,σ'f,b)的确 切数值,具体结果件表 3.1。

Strain amplitude (mm/mm)

Strain amplitude (mm/mm)

(a)
10
-2

10

-2

(b)

10

-3

10

-3

T5 treated, 0.5Y

T5 treated, 1.5Y

10

-4

plastic strain elastic strain total strain
10
3

plastic strain elastic strain total strain
10
-4

10

4

10

3

10

4

Reversals to failure, 2Nf

Reversals to failure, 2Nf

(a) 0.5Y, T5 态

(b) 1.5Y, T5 态

图 3.6 T5 态挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金应变幅 -载荷反向周次关系 曲线

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表 3.1 时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的应变疲劳参数 Y 元素 含量 0.5Y 1.5Y σ'f/Mpa 7.26 7.17 b -0.509 -0.462 ε'f/% 1555.28 1871.71 c -0.206 -0.212 K/Mpa 849.04 964.52 n' 0.269 0.294 NT 7.26 7.17

由表 3.1 可以看出,相对于时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金,时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 的疲劳强度系数 ε'f 增大; 疲劳延性系数 σ'f 减小; 疲劳 强度指数 c 减少;疲劳延性指数 b 增大;即增加稀土元素 Y 可使时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的 ε'f、 b 显著增大,σ'f 、c 显著减小。 3.3.2 稀土元素 Y 的含量对合金疲劳寿命的影响 图 3.7 所示为时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金疲劳寿命 Nf 与外加总应变 幅?εt/2 之间的关系曲线。

1.2

Total strain amplitude (%)

0.9

T5 treated 0.5Y 1.5Y

0.6

0.3

10

3

10

4

Fatigue life, Nf

图 3.7 时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金总应变幅—疲劳寿命关系曲线

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如图所示, 除了在外加总应变幅接近 1.0%时 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金 的疲劳寿命大于 Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金的疲劳寿命以外, Mg-7%Zn -0.6%Zr-1.5%Y 的疲劳寿命均大于 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 的疲劳寿命。 综上, 随着外加总应变幅的不同, Y 含量对时效态挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金 的疲劳寿命的影响规律如下:添加 0.5%Y 可以明显提高合金在??t /2 接近 1.0% 时的疲劳寿命;而添加 1.5%Y 则明显降低合金在??t /2<0.9%下的疲劳寿命。

3.4 合金的循环应力—应变行为
材料的循环应力—应变行为也是疲劳研究的一个重要方面,它反映了材料 在总应变控制的疲劳加载条件下的真实应力—应变特性,通常可以用循环应力 —应变曲线来描述,而材料的循环应力—应变之间的关系可用下述指数定律来 表达。

?σ/2=K'(?εp/2)

n'

(3.5)

其中,?σ/2 为循环应力幅,?εp/2 为塑性应变幅,K 为循环强度系数,n' 为循环应变硬化指数。 图 3.8 为时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的循环应力—应变曲线。 由图可 见, 对于时效态的 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金, 随着 Y 含量的增加, ?σ/2 和??p/2 之间均呈现单斜率线性关系。利用图 3.8 数据,采用线性回归的分析方法,即 可确定时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金在 Y 含量不同时的循环强度系数与循 环应变硬化指数(即 K,n'),具体计算结果参见表 3.1。由表可见,改变稀土元 素 Y 含量会对时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的循环强度系数与循环应变硬 化 指 数 造 成 一 定 程 度 影 响 , 相 对 于 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合 金 , Mg-7%Zn-0.6%Zr-1.5%Y 合金的循环强度系数 K,循环应变硬化指数 n'增大, 即增加稀土元素 Y 可使时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的循环强度系数与循 环应变硬化指数显著增加。

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3x10

2 2

Cyclic stress amplitude (MPa)

Cyclic stress amplitude (MPa)

(a)

2.5x10 2x10 1.5x10

(b)

2

2

10

2

10

2

T5 treated, 0.5Y

T5 treated,1.5Y
5x10
1 -3

10

-3

10

-2

10

Plastic strain amplitude (mm/mm)

Plastic strain amplitude (mm/mm)

(a) 0.5Y, T5 态

(b) 1.5Y, T5 态

图 3.8 时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金循环应力—应变曲线

3.5 合金的疲劳断口形貌
使用 S-3400N 型扫描电子显微镜对时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的断 口形貌进行观察, 并分析时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金在低周疲劳加载条件 下的裂纹萌生和扩展模式。 图 3.9 为挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金在 ??t /2 分别为 0.45%和 0.8%时的疲劳裂纹源区微观形貌,由图可知,随着 Y 含量 增加, Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的疲劳裂纹生长方式均为在试样表面以穿晶 形式萌生,并且有多个裂纹源存在于疲劳断口上。

(a)

(b)

500μm (a) 0.5Y, ??t /2=0.45%
21

500μm (b) 0.5Y, ??t /2=0.8%

沈阳工业大学本科生毕业设计(论文)

(c)

(d)

500μm (c) 1.5Y, ??t /2=0.45% (d) 1.5Y, ??t /2=0.8%

500μm

图 3.9 挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金疲劳裂纹源区微观形貌(箭头指向 为试样表面) 图 3.10 为 外 加 总 应 变 幅 为 0.45% 和 0.8% 时 , T5 处 理 的 挤 压 变 形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金疲劳裂纹扩展区的微观形貌。 随着 Y 含量的不同, 合 金的疲劳裂纹扩展区呈现高低不平的台阶形式,但疲劳裂纹扩展方式均为穿晶 的。

(a) )

(b) )

500μm (a)0.5Y, ??t /2=0.45% (b)0.5Y, ??t /2=0.8%

500μm

22

沈阳工业大学本科生毕业设计(论文)

(c) )

(d) )

500μm (c)1.5Y, ??t /2=0.45%

500μm (d)1.5Y, ??t /2=0.8%

图 3.10 挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金疲劳裂纹扩展区微观形貌

3.6 分析与讨论
3.6.1 合金的显微组织 由 3.1 可知, 稀土元素 Y 的加入量影响着 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的合金 组织细化程度。这是由于 Zr 和 Mg 的晶格常数相近且不与 Mg 反应,在凝固过 程可充当异质形核。对于镁合金 Mg-Zn-Zr-Y 而言通常存在 Mg3Zn6Y 相, Mg3Zn3Y2 相,Mg12ZnY 相三种含稀土元素 Y 的第二相粒子,而当 Zn/Y 质量比 大于 4.38 时候则可以形成硬度高、高温稳定性能好,弥散细小、界面能低的 Mg3Zn6Y 相[34-36],而 Mg3Zn6Y 相粒子在凝固过程中可以充当形核中心,提高 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金形核数目,从而达到细化组织的目的。而 Mg-7%Zn0.6%Zr-1.5%Y 合金相对于 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金的 Zn/Y 质量比较小, 故细化程度不如后者。 而固溶+人工时效处理可以粗话晶粒的原因是由于合金中 的第二相粒子在固溶+人工时效处理后逐渐长大降低再结晶速率, 从而使合金的 组织发生粗化。 3.6.2 合金的循环应力响应行为

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由 3.2 可知,时效态(时效温度(175± 5)° C,保温 10h,空冷) Mg-7%Zn -0.6%Zr-xY 合金的循环应力响应行为可以呈现出循环稳定、循环应变硬化和循 环应变硬化的循环应力响应特征。这同时与外加总应变幅的变化以及 Y 元素的 含量有关。Mg-Zn-Zr-Y 合金的位错运动主要在其基体相中进行,而分布于基体 相上的第二相粒子则是位错运动的阻碍,位错运动过程中遇到第二相粒子时, 则绕过或直接切割过这些阻碍,导致滑移面局部强化,使位错的进一步滑移受 阻,这就使得在疲劳变形过程中必须增大外加载荷才能维持应变恒定,导致循 环应力增加,即发生循环硬化;在位错不断增殖的同时,也可以发生位错的湮 没,即相当于发生一种位错回复过程,它可以通过异号位错在运动过程中彼此 相遇并相互抵消而实现,其结果是导致位错密度降低,疲劳变形过程中位错滑 移阻力下降,从而使得位错滑移所需外加应力降低,即产生所谓的循环软化。 循环稳定现象则可以认为是位错增殖引起的硬化效应和位错湮没所引起的软化 效应综合作用的结果。稀土元素 Y 的添加可以使时效态合金绝大多数下应变幅 下的循环应力幅增加,对于镁合金 Mg-Zn-Zr-Y 而言,总应变幅越高循环应变 越剧烈,位错数增加越剧烈,Mg3Zn6Y 相与位错相互作用也越剧烈,因此,稀 土元素 Y 可提高高外加总应变幅下的合金循环变形抗力。时效+固溶处理后, 由于 Mg3Zn6Y 相析出,与位错作用的 Mg3Zn6Y 相粒子数增加,进而提高合金 循环变形抗力。 3.6.3 合金的低周疲劳寿命行为 由 3.3 可知,添加 0.5%Y 可以明显提高合金在??t/2 接近 1.0%时的疲劳寿 命,添加 1.5%Y 则明显降低合金在??t/2<0.9%的疲劳寿命。这是由于镁合金自 身的循环塑性变形机制造成的。在外加总应变幅较小范围内,合金倾向于以平 面滑移机制发生循环塑性变形,使滑移可逆性的几率增大,从而阻碍穿晶裂纹 的萌生和扩展,提高了合金的疲劳寿命;在外加总应变幅较大范围内,合金更 可能按照波状滑移机制发生循环塑性变形,与平面滑移机制相反,减少了滑移 可逆性,易于产生疲劳裂纹并向内部扩展,降低了合金的疲劳寿命。Eliezer 等 通过实验研究了压铸态和挤压态 AZ91D、AM50、AZ31 镁合金的疲劳寿命。值 得注意的是在 3.5%NaCl 腐蚀溶液中,合金的疲劳寿命均下降,尤其是挤压态 合金。这证明了挤压态合金对腐蚀介质具有更高的灵敏度。

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3.6.4 合金的低周疲劳断裂行为 由 3.5 可知,Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金的疲劳裂纹生长方式均为在试样 表面以穿晶形式萌生,并且有多个裂纹源存在于疲劳断口上。变形初期,因 为式样表面受的循环应力较高所以出现裂纹;随着变形进行,循环周次加大, 形成于式样表面的驻留滑移带逐渐变宽,位错开始出现交割和塞积,进而使裂 纹在驻留滑移带处萌生。裂纹数目通常与合金的应力状态有关,第一个裂纹的 光亮度通常最高。时效态镁合金 Mg-Zn-Zr-Y 的合金滑移系较少,塑性变形能 力差,故在变形过程中扩展区呈现高低不平的台阶形式。

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第 4 章 结论
(1)对于挤压态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金,Y 含量为 0.5%晶粒细化效果优 于 Y 含量为 1.5%时,T5 处理的晶粒细化程度优于 T6 处理的晶粒细化程度。 (2)时效态 Mg-7%Zn-0.6%Zr-xY 合金在总应变控制的疲劳加载条件下可表 现为循环硬化、循环软化或稳定的循环应力响应。 (3)随着外加总应变幅的不同,Y 含量对时效态挤压变形 Mg-7%Zn-0.6%ZrxY 合金的疲劳寿命的影响规律如下:添加 0.5%Y 可以明显提高合金在??t/2 接 近 1.0%时的疲劳寿命,添加 1.5%Y 则明显降低合金在??t/2<0.9%的疲劳寿命。 (4)低周疲劳加载条件下,时效态 Mg-7%Zn- 0.6%Zr-xY 合金断裂形式为多 源断裂, 疲劳裂纹以穿晶方式萌生和扩展, 在扩展区呈现高低不平的台阶形式。

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参考文献
[1] 阎启翔. 镁的传奇[J]. 有色金属工业, 2005(5): 80-83. [2] Brown R E. Australian magnesium projects-Update[J]. Light Metal Age, 2000, 58: 54-57. [3] Eliezer A, Gutman E M. Corrosion fatigue of die cast and extruded magnesium alloys[J]. Journal of Light Materials, 2001, 1(3): 179-186. [4] 马图哈 K H.非铁合金的结构与性能[M]. 丁道云等译. 北京:科学出版社,1999. [5] 何运斌, 潘清林, 刘晓艳, 等. ZK60 镁合金均匀化过程中的组织演变[J]. 航空材料学报, 2012. [6] 黄瑞芬. 镁合金的研究应用及其发展[J]. 内蒙古科技与经济, 2006, 12(6): 15-18 [7] 刘静安. 镁合金加工技术发展趋势与开发应用前景[C]. 首届中国国际轻金属冶炼加工 与装备会议文集, 2012, 9(12): 120-123 [8] 麻彦龙, 潘复生, 左汝林, 等. 高强度变形镁合金 ZK60 的研究现状. 重庆大学学报(自 然科学版), 2004, 27(9): 2-4. [9] Sanschagrin A,Tremblay R,Angers R,et al. Mechanical properties and microstructure of new magnesium-lithium base alloys. Materials Science and Engineering: A, 1996, A220: 69-77. [10] 张诗昌, 段汉桥, 蔡启舟, 等. 主要合金元素对镁合金组织和性能的影响. 铸造, 2001, 50(6): 312. [11] 张景怀, 唐定骧, 张洪杰, 等. 稀土元素在镁合金中的作用及其应用. 稀有金属, 2011, 32(5): 660-667. [12] 刘正, 张奎, 曾小勤, 等. 镁基轻质合金理论基础及其应用. 北京: 机械工业出版社, 2002. [13] 张志华, 潘复生, 陈先华, 等. 稀土元素对 ZK60 镁合金组织和性能影响的研究现状[J]. 热处理工程, 2011, 40(10): 8-12. [14] 韩英芬, 刘建睿, 沈淑娟, 等. 镁合金中非金属夹杂物及其净化方法. 铸造技术, 2006, 27(6): 613-616. [15] 张诗昌, 段汉桥, 蔡启舟, 等. 镁合金中的夹杂物及检测方法. 铸造技术, 2001, 22(4): 3-5. [16] 郭旭涛, 李培杰, 曾大本, 等. 混合稀土去除再生镁合金中的夹杂. 中国有色金属学报, 2004, 14(8): 1295-1299.

27

沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) [17] 黎文献, 余琨, 张世军, 等. 稀土对镁及 Mg-Al 合金晶粒细化的研究. 第三届有色合金 及特种铸造国际会议论文集. 上海: 2003, 69-76. [18] 郭旭涛, 李培杰, 曾大本, 等. 混合稀土去除再生镁合金中的夹杂. 中国有色金属学报, 2004, 14(8): 1295-1299. [19] 黎文献, 余琨, 张世军, 等. 稀土对镁及 Mg-Al 合金晶粒细化的研究. 第三届有色合金 及特种铸造国际会议论文集. 上海: 2003, 69-76. [20] 范才河 , 陈刚 , 严红革 , 等 . 稀土在镁及镁合金中的作用 . 材料导报 , 2005, 19(7): 61-63. [21] 王立世, 段汉桥, 魏伯康, 等. 混合稀土对 AZ91 镁合金组织和性能的影响. 特种铸造 及有色合金, 2002(3): 12-14. [22] 李杰华, 介万奇, 杨光昱, 等. 稀土元素 Gd 对 Mg-Zn-Zr 镁合金组织和性能的影响. 稀 有金属材料与工程, 2008, 37(9): 1588-1591. [23] 吴安如, 夏长清, 王银娜, 等. ZK60-xY 合金的微观组织和力学性能研究. 矿冶工程, 2006, 26(1): 77-80. [24] 陈振华. 变形镁合金. 北京: 化学工业出版社, 2004. [25] 王斌, 方西亚, 易丹青, 等. 稀土元素钇和铈对 Mg-Zn-Zr 系合金组织和性能的影响[J]. 机械工程 [26] 刘先兰, 刘楚明, 张文玉, 等. 热处理对挤压 Mg-5.5Zn-1.7Nd-0.7Cd-0.5Zr 镁合金组织 和性能的影响. 特种铸造及有色合金, 2011, 30(12): 1099-1101. [27] 赵亚忠, 潘复生, 彭建, 等. 钕添加及铸锭均匀化退火对 ZK20 镁合金组织与性能的影 响. 中国有色金属学报, 2011, 20(6): 1069-1074. [28] 周天承, 吴为亚, 张强, 等. 热处理对 Mg-Zn-Er-Nd-Ca-Zr 合金组织与性能的影响. 金 属热处理, 2011, 36(1): 76-79. [29] Zuberova Z, Estrin Y, Lamark T T, et al. Effect of equal channel angular pressing on the deformation behaviour of magnesium alloy AZ31 under uniaxial compression. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 184: 294-299. [30] 许道奎, 刘路, 徐永波, 等.挤压态镁合金 ZK60 的超高周疲劳行为. 金属学报, 2007, 43(2): 144-148. [31] 尹树明, 赵述哲, 成泰民, 等. 等通道转角挤压处理的镁合金 AZ31 的低周疲劳行为. 轻金属, 2011(8): 55-58.

28

沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) [32] 刘先兰, 刘楚明, 李慧中, 等. Er、Nd 对 Mg-0.6Zr 合金组织和性能的影响. 特种铸造 及有色合金, 2012, 29(2): 173-175. [33] Raske D T,Morrow J.Meehanies of materials in low cyele fatigue testing.ASTM STP 465-PhiladelPhia:Ameriean Soeietyfor Testingand Materials, 1969, l-25. [34] Xu D K, Han En Hou, Liu L, et al. Influence of higher Zn/Y ratio on the microstr -ucture and mechanical properties of Mg-Zn-Y-Zr alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 2011, 40(7): 1727-1740. [35] Xu D K, Liu L, Xu Y B, et al. Effect of microstructure and texture on the mechanical properties of the as-extruded Mg-Zn-Y-Zr alloys. Materials Science and Engineering A, 2011, 443(1-2): 248-256. [36] Zhang Y, Zeng X Q, Liu L F, et al. Effects of yttrium on microstructure and mech -anical properties of hot extruded Mg-Zn-Y-Zr alloys. Materials Science and Engine ering A, 2011, 373(1-2): 320-327.

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致谢
时间如梭,转眼毕业在即。回想在大学求学的四年,心中充满无限感激和 留恋之情。感谢母校为我们提供的良好学习环境,使我们能够在此专心学习, 陶冶情操。感谢指导老师张老师,在每次遇到问题时老师不辞辛苦的讲解以及 帮助,从选题到资料的搜集直至最后,整个过程中,花费了张老师很多的宝贵 时间和精力,在此向导师表示衷心地感谢。另外还要感谢指导我实验的师兄学 长,正是因为他的的无私指导和帮助,才能使我得以顺利完成该篇论文。

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