AZ31B鎂合金在高周疲勞過程中的加工硬化/軟化行為及溫度變化

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(太原理工大學材料科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

鎂合金具有密度小、比強度高、導熱導電性好、易回收利用等優點，在航空航天、軌道交通和汽車等領域中具有可替代某些傳統材料的潛力，因而引起了學術界的關注[1]。在使用過程中，鎂合金部件通常承受循環應力作用[2]，因此疲勞斷裂成為其主要失效形式。鎂合金具有密排六方晶格結構，室溫下滑移系少、塑性變形能力差，其疲勞問題比鋼鐵材料更突出[3]。

基于能量理論，構件在疲勞過程中存在熱耗散現象，并以溫度變化的形式表現出來[4]。近年來，紅外熱像法被廣泛應用于力學行為研究中，如金屬材料疲勞過程中溫度演化研究[5]、疲勞強度測定[6]、疲勞壽命預測[7]等。對于鋼鐵材料，當應力水平超過其疲勞強度時，疲勞過程中的溫度變化可分為初始升溫階段Ⅰ、溫度平衡階段Ⅱ和快速升溫階段Ⅲ等3個階段。鎂合金在疲勞過程中的溫度變化與鋼鐵材料的不同，由于加工硬化的影響，初始升溫之后會有一個溫度下降階段[8]。不同階段的溫度變化可以作為判定不同水平加工硬化/軟化的一個指標，對于鎂合金在疲勞過程中的溫度演化已開展了一些研究，但對其變形機制的研究還有待深入。

目前，有關鎂合金加工硬化/軟化行為研究的報道較多[9-11]，但是將其與疲勞過程中溫度變化相聯系的研究較少。為此，作者利用紅外熱像儀測試了AZ31B鎂合金在疲勞和拉伸過程中的溫度演變，利用拉伸試驗研究了疲勞過程中合金的加工硬化/軟化行為。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料取自5 mm厚AZ31B鎂合金擠壓板，其化學成分見表1，抗拉強度為235.6 MPa，屈服強度為152.6 MPa，斷后伸長率為13.19%。

表1 AZ31B鎂合金的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of AZ31B magnesium alloy (mass) %

采用線切割沿擠壓方向加工出拉伸和疲勞試樣，兩種試樣尺寸相同，如圖1所示。用400#，800#，1000#，1200#SiC砂紙依次打磨試樣表面，去除表面加工缺陷及氧化物，獲得光滑表面。為提高輻射率，在試樣較光滑表面噴涂一層黑色亞光漆，進而確保紅外熱像儀測溫的準確度。

圖1 疲勞和拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of fatigue and tensile specimens

根據GB/T 3075-2008，使用PLG-200D型高頻拉壓疲勞試驗機進行疲勞試驗，采用應力控制模式加載，最大應力σmax分別為95，100，110，115，120，125，130，135 MPa，應力比R為0.1，單軸加載頻率為(100±5)Hz。試驗測得的AZ31B鎂合金的應力-壽命曲線(S-N曲線)如圖2所示，將循環107周次不發生斷裂所對應的最大應力記為疲勞強度，可見AZ31B鎂合金的疲勞強度為110 MPa。根據GB/T 228-2002，在DNS200型萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為5 mm·min-1。在疲勞試驗和拉伸試驗過程中，采用Vario CAM hr research型紅外熱像儀同步記錄試樣的表面溫度，熱像儀像素為384 pixel×288 pixel，300 K時的測量精度不低于0.08 K，紅外錄制頻率為50 Hz。將實時記錄得到的最高溫度記為Th，環境溫度記為Ta，則溫升ΔT=Th-Ta。紅外熱像儀放置在試樣前方0.5 m處，采集的熱圖像由IRBIS?3軟件進行處理。

采用離子減薄法制取薄膜試樣，使用JEM-2010型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀形貌。

圖2 AZ31B鎂合金的S-N曲線Fig.2 S-N curve of AZ31B magnesium alloy

圖3 在不同應力水平下疲勞時AZ31B鎂合金表面溫升變化曲線Fig.3 Temperature rise evolution curves of AZ31B magnesium alloy during fatigue under different stress levels

2 試驗結果與討論

2.1 疲勞過程試樣的溫度變化

基于能量轉化理論，疲勞過程損耗的能量大部分以熱量的形式釋放出來，因此可根據溫度變化來判定材料的變形程度。由圖3可知，在疲勞過程中當最大應力大于疲勞強度時，試樣表面的溫度變化(由溫升曲線判斷)可依次分為初始升溫、溫度下降、溫度穩定、快速升溫、斷裂后自然降溫等5個階段。

疲勞過程中試樣表面的溫度變化是由熱彈性效應、非彈性效應和熱傳導效應的共同作用導致的。第一階段的溫度上升主要是由非彈性效應產生的局部塑性變形引起的，大量塑性變形產生的熱量大于熱量的損耗，導致溫度升高。由于鎂合金具有密排六方結構，室溫下的塑性變形能力差，因此經歷第一階段的大量塑性變形后，試樣很快發生循環硬化，使得熱傳導效應占主導作用，導致溫度快速下降。在第三階段試樣僅發生少量的非彈性變形，此時非彈性效應和熱傳導達到一個動態平衡，溫度達到穩定。在第四階段試樣中的微裂紋萌生并且隨循環次數增加而快速擴展，同時裂紋尖端發生局部塑性變形，導致溫度急劇升高直至試樣斷裂，之后溫度逐漸降至室溫。

圖4 在σmax=100 MPa下循環10 000周次前后AZ31B鎂合金的TEM形貌Fig.4 TEM morphology of AZ31B magnesium alloy before (a) and after (b) fatigue at σmax of 100 MPa for 10 000 cycles

由圖4可知：未進行疲勞試驗時，試樣的位錯密度較低；當在σmax=100 MPa下循環10 000周次后，試樣中的位錯密集，密度變大。位錯密度的變化表明試樣存在加工硬化現象。

加工硬化是位錯與位錯、位錯與晶界以及第二相等相互作用的結果。在非線性變形時，鎂合金內部產生很多位錯，在運動過程中位錯相互作用產生位錯纏結，并阻礙位錯的進一步運動。此外，位錯運動主要發生在鎂合金基體相中，分布在基體相中的高強度、大尺寸的第二相是位錯運動的主要障礙。當遇到第二相時，位錯通過Orowan機制繞過第二相，或者在第二相前堆積，產生局部強化，影響滑移面的運動。因此，在疲勞變形初始階段，位錯切割第二相也產生一定程度的強化效應。

2.2 拉伸過程中的溫度變化

由圖5(a)可知，在拉伸過程中，試樣表面的溫度變化隨時間的延長(由溫升曲線判斷)可分為溫度下降、溫度升高、失效后溫度下降等3個階段，應力-應變曲線中的彈性變形階段和塑性變形階段分別對應溫度變化的第一階段和第二階段。第一階段的溫度下降是由熱彈性效應引起的[12]，第二階段的溫度升高是由熱塑性效應引起的。在第二階段，當斷裂前的塑性變形量達到最大值時，溫度也達到最高值，所以溫度變化值可以用于表征拉伸試驗中試樣的塑性變形量。由圖5(b)可以看出，從a時刻到b時刻，圖像顏色加深，這表明熱彈性效應引起了溫度下降，b時刻溫度可以近似代表試樣拉伸接近彈性極限時的溫度值，隨后，溫度升高，在斷裂前達到了最高值，斷裂后又下降。

圖5 在拉伸過程中AZ31B鎂合金的應力和溫升變化曲線以及不同時刻的紅外熱成像Fig.5 Stess and temperature rise evolution curves (a) and thermographic images at different times (b) of AZ31B magnesium alloy during tensile

在疲勞過程中的初始升溫階段、溫度下降階段、溫度穩定階段、快速升溫階段和斷裂后自然降溫階段各選擇1個溫度變化點，對應的循環次數分別為0，5 000，10 000，50 000，80 000周次。分別在以上循環次數下進行預疲勞試驗，試驗條件同前，σmax=100 MPa，疲勞試驗結束后再進行拉伸試驗。

根據之前的分析，不同循環次數意味著試樣交替發生了加工硬化和加工軟化。由圖6(a)可以看出：不同程度的加工硬化和軟化會導致試樣的塑性變形能力不同。由圖6(b)可知，未進行疲勞(循環次數為0)的試樣在拉伸過程中的最高溫升(ΔT)max最大，經5 000，10 000周次應力循環后，試樣在拉伸過程中的(ΔT)max比其他循環次數下的低，這是由加工硬化引起的；而經50 000，80 000周次應力循環后，試樣在拉伸過程中的(ΔT)max又有所增大。拉伸試驗中試樣的溫度變化表明疲勞引起的加工硬化會阻礙變形，溫度的升高與塑性變形密切相關，但是和抗拉強度無關。

圖6 在σmax=100 MPa下循環不同次數試樣拉伸時的應力-應變曲線和溫升變化曲線Fig.6 Stress-strain curves (a) and temperature rise evolution curves (b) during tensile of samples fatigued at σmax of 100 MPa for different cycles

由圖7可知，隨循環次數增加，試樣的抗拉強度呈先增后降再增的變化趨勢。抗拉強度的這種變化是由于試樣在疲勞過程中交替發生了加工硬化和加工軟化。當循環次數相近時，隨σmax的增加，試樣的抗拉強度增大，這是因為在疲勞試驗時不同應力水平引起了不同程度的加工硬化。

圖7 在不同應力水平下循環不同周次試樣的抗拉強度變化曲線Fig.7 Tensile strength variation curves of samples fatigued at different sress levels for different cycles

3 結 論

(1) 當疲勞時的最大應力高于AZ31B鎂合金的疲勞強度時，AZ31B鎂合金在疲勞過程中的溫度變化可依次分為初始升溫階段、溫度下降階段、溫度穩定階段、快速升溫階段和斷裂后自然降溫階段，這5個階段與拉伸試驗證明的加工硬化/軟化有對應關系。

(2) 隨循環次數增加，疲勞后試樣的抗拉強度呈先增后降再增的變化趨勢，這是因為疲勞試驗中試樣交替發生了加工硬化和加工軟化。

(3) 隨疲勞時最大應力的增加，疲勞后試樣的抗拉強度增大，這是因為疲勞試驗時不同應力水平引起了不同程度的加工硬化。

[1] 韓繼龍,孫慶國.金屬鎂生產工藝進展[J].鹽湖研究,2009,16(4): 59-65.

[2] CHEN X H,CHEN X,YU D J,etal.Recent progresses in experimental investigation and finite element analysis of ratcheting in pressurized piping[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2013,101: 113-142.

[3] 何柏林,周尚諭.鎂合金焊接接頭疲勞性能研究現狀和發展趨勢[J].熱加工工藝,2012,41(15): 185-187.

[4] BELL J.The experimental foundations of solid mechanics [M].New York: Springer-Verlag,1973.

[5] AMIRI M,KHONSARI M M.Rapid determination of fatigue failure based on temperature evolution: Fully reversed bending load [J].International Journal of Fatigue,2010,32(2): 382-389.

[6] LA ROSA G,RISITANO A.Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components [J].International Journal of Fatigue,2000,22(1): 65-73.

[7] FARGIONE G,GERACI A,LA ROSA G,etal.Rapid determination of the fatigue curve by the thermographic method [J].International Journal of Fatigue,2002,24(1): 11-19.

[8] YAN Z F,ZHANG H X,WANG W X,etal.Temperature evolution mechanism of AZ31B magnesium alloy during high-cycle fatigue process[J].Theoretical and Applied Fracture Mechanics,2014,70: 30-38.

[9] KNEZEVIC M,LEVINSON A,HARRIS R,etal.Deformation twinning in AZ31: Influence on strain hardening and texture evolution[J].Acta Materialia,2010,58(19):6230-6242.

[10] 吳俊良,文玉華,李寧,等.兩種方法分析高錳鋼和18-8不銹鋼加工硬化行為的對比[J].機械工程材料,2009,33(9): 68-71.

[11] 袁子洲,匡毅,陳學定,等.ZGMn18Cr2Mo超高錳鋼加工硬化機理研究[J].機械工程材料,2005,29(5):9-11.

[12] 李守新,黃毅,師昌緒.金屬板材在彈塑性形變過程中熱場的有限元分析[J].金屬學報,1985,21(1):101-109.