不同熱處理工藝對AZ80D鎂合金板材低周疲勞性能的影響

孫 穎， 王萍萍

（1.山西工程職業技術學院， 山西 陽泉 045000；2.遼寧科技大學， 遼寧 鞍山 114051）

引言

各種工程構件主要失效形式之一就是疲勞，這個道理同樣適用于鎂合金結構部件。由于鎂合金部件在實際應用中往往受到循環載荷和（或）熱應力的作用，所以在涉及鎂合金材料部件的設計時，都要對其低周疲勞行為有一定的要求[1]。因此，研究鎂合金的低周疲勞性能具有重要的理論價值和實際意義。

熱處理在改善合金工藝性能和使用性能時發揮著重要作用。本文對不同熱處理工藝的軋制態AZ80D鎂合金的疲勞性能進行了研究，為以后提高AZ80D鎂合金的疲勞性能提供更多的參考數據，以及AZ80D鎂合金在實際工程中應用的可靠性和鎂合金結構的安全設計提供了必要的理論依據。

1 實驗材料及方案

1.1 實驗材料

本實驗所用的材料為AZ80D鎂合金板，此板是將直徑300 mm的鎂合金鑄錠經過熱擠壓后再經過多道次軋制到5 mm厚的板材。板材成分見表1。

表1 AZ80D鎂合金的化學成分 %

1.2 實驗設備

實驗過程中所使用的疲勞試驗機為美國生產MTS810型液壓伺服疲勞機。

1.3 實驗方案

本試驗采用軸向反向拉伸全應變控制模式，應變比為Rε=-1。試驗環境為實驗室靜態空氣介子，實驗室溫度為室溫。名義總應變幅變化范圍在0.3%～1%之間?？刂撇ㄐ螢槿切尾ㄐ危刂祁l率為0.5 Hz。各實驗均進行至試樣斷裂時為止。

為了考察熱處理對鎂合金板材AZ80D疲勞性能的影響，對部分軋制態鎂合金分別進行了固溶處理和時效處理，熱處理工藝[2-4]如表2所示。為了避免試樣在熱處理時發生氧化反應，采用錫紙對試樣進行包裹。

表2 AZ80D鎂合金的熱處理工藝參數

2 實驗結果與分析

2.1 常溫拉伸實驗結果分析

下頁圖1為經過不同熱處理后AZ80D材料的應力-應變曲線，該曲線是由實驗采集數據而繪制出的。

從圖1應力-應變曲線可以看出，AZ80D鎂合金不存在明顯的屈服現象，沒有明顯的屈服平臺，因而屈服點σs無法顯示，只能用σ0.2來表示屈服強度。根據收集到的數據，下頁表3顯示了AZ80D鎂合金在不同熱處理條件下的力學性能。

從表3可看出經軋制后的AZ80D鎂合金已經具備了比較好的力學性能，屈服強度σ0.2達到了約256.5 MPa，抗拉強度達σb達到了約325.9 MPa。經過固溶處理后的屈服強度σ0.2達到了約194 MPa，抗拉強度σb達到了約290 MPa，都有所降低，這是因為在固溶過程中，一方面，合金中的合金元素完全溶解在基體中，形成固溶強化；另一方面，晶粒長大導致力學性能下降。因為晶粒粗化較為顯著所以能下降的更快。所以固溶態與軋制態相比，固溶態抗拉強度值大幅下降，由325.9 MPa降至290.75 MPa，但是經過固溶處理后AZ80D鎂合金具有較高延伸率。時效處理后的拉伸強度、屈服強度和伸長率均降低，伸長率約為固溶處理后的一半。

圖1 不同熱處理狀態下AZ80D材料的應力-應變曲線

表3 AZ80D鎂合金不同熱處理狀態下的力學性能

2.2 疲勞實驗結果分析

2.2.1 AZ80D鎂合金的循環應力響應曲線

由圖2-1可見，當外加總應變幅為0.008和0.01時，合金在整個疲勞變形過程中只發生循環應變硬化。當外加總應變幅為0.006時，軋制態AZ80D鎂合金首先發生循環應變硬化，然后循環應變硬化率迅速增加，到循環疲勞周次為200周左右時，循環應變硬化率逐漸減?。划斖饧涌倯兎鶠?.004時，軋制態AZ80D鎂合金在開始階段循環應變硬化率比較低，中期迅速增大，到疲勞變形后期呈現出循環穩定，最終試件斷裂；當外加總應變幅為0.003時，軋制態AZ80D鎂合金在開始階段呈現循環穩定，中期循環應變硬化率增大，在斷裂前出現明顯的循環軟化現象，直到材料斷裂。

從圖2-2可以看出，當總應變幅為0.008和0.01時，時效處理后的AZ80D鎂合金在整個疲勞過程中只發生循環應變硬化。并且隨著循環次數的增加循環應變硬化率逐漸增大，直至試樣最終斷裂；當外加總應變幅為0.006時，開始階段循環應變硬化率較低，然后迅速上升，當達到300周次左右時，循環應變硬化率逐漸降低。當外加總應變幅為0.003時，在疲勞變形后期軋制態和時效態表現為循環穩定現象。

圖2 AZ80D鎂合金板材不同狀態下的循環應力響應曲線

從圖2-3中可以看出，當外加總應變振幅為0.008和0.01時，AZ80D鎂合金軋制板經固溶處理后的整個疲勞過程都發生循環應變硬化，直到試件斷裂；當外加總應變幅為0.006時，首先表現為循環穩定，然后循環應變硬化率迅速上升直至試件斷裂；當外加總應變幅為0.003和0.004時，在整個疲勞過程中均呈現明顯的循環應變硬化現象。

由此可見，固溶處理可對軋制AZ80D鎂合金的循環應力響應行為產生一定程度的影響，具體表現在固溶態鎂合金的循環應力要低于軋制態和時效態鎂合金的循環應力。這是由于軋制變形鎂合金經過固溶處理后，其晶粒尺寸變大，且第二相溶入到基體中，以至于晶界對位錯的阻礙作用大大減弱，第二相對位錯的阻礙作用降低，因此，固溶態鎂合金的循環應力要低于軋制態和時效態鎂合金的循環應力。

2.2.2 熱處理對AZ80D鎂合金的循環應力響應行為的影響

圖3所示分別為具有不同加工處理狀態的AZ80D鎂合金在五個給定的外加總應變幅下的循環應力響應曲線，由此可以更直觀地分析熱處理對AZ80D鎂合金的循環應力響應行為所產生的影響。

圖3 不同加工處理狀態的AZ80D鎂合金在給定總應變幅下的循環應力響應曲線

由圖3可明顯看出，當外加總應變幅為0.003時，在疲勞變形初期軋制態的AZ80D鎂合金的循環應力幅是最高的，隨著疲勞過程的進行，軋制態的循環應力逐漸與時效態的相接近，并且在疲勞變形后期都表現為循環穩定；當外加總應變幅為0.004時，軋制態的循環應力幅仍然是最高的，固溶態最低，但是在疲勞變形后期，固溶態的AZ80D鎂合金的循環應力幅逐漸與時效態的相接近，都表現為明顯的循環硬化；當外加總應變幅為0.006和0.008時，可見軋制態和時效態的AZ80D鎂合金循環應力幅在整個疲勞過程中都大致相當，循環應力幅明顯高于固溶態的AZ80D鎂合金；當外加總應變幅為0.01時，其變化規律與外加總應變幅為0.006和0.008相同，只是在疲勞變形初期，軋制態AZ80D鎂合金的循環應力幅比時效態AZ80D鎂合金的循環應力幅高，隨著疲勞過程的進行，軋制態與時效態的應力幅趨于一致。上述事實表明，在低外加總應變幅下，軋制態AZ80D鎂合金對循環變形抗力是最大的，而固溶態AZ80D鎂合金相對而言對循環變形抗力是最小的。

3 結論

1）軋制后的AZ80D鎂合金已經具備了比較好的力學性能，屈服強度σ0.2、抗拉強度達σb達到了最大值；時效態軋屈服強度σ0.2、抗拉強度達σb略低于軋制態；固溶態AZ80D鎂合金的延伸率達到了最大值。

2）軋制態和時效態AZ80D鎂合金，在高外加總應變幅的條件下，疲勞過程中都表現為明顯的循環應變硬化現象；在低總應變幅下，在疲勞變形的早期和晚期觀察到循環穩定性，在疲勞變形的中期觀察到循環應變硬化；固溶態AZ80D鎂合金不論高應變幅還是低應變幅都表現為循環硬化。

3）在低外加總應變幅下，軋制態AZ80D鎂合金對循環變形抗力是最大的，而固溶態AZ80D鎂合金相對而言對循環變形抗力是最小的；在高外加總應變下,由于第二相的強化作用更加明顯，軋制態與時效態AZ80D鎂合金對循環變形抗力大致相當。