楊 友

(1長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春130012;2長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130012) YANG You1,2

M B8鎂合金高周疲勞實(shí)驗(yàn)研究

楊 友1,2

(1長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春130012;2長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130012) YANG You1,2

采用升降法對(duì)MB8鎂合金室溫高周疲勞行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:利用升降法計(jì)算出MB8鎂合金在應(yīng)力比R=0.1,循環(huán)基數(shù)為107條件下的疲勞強(qiáng)度為90.2MPa,相當(dāng)于其抗拉強(qiáng)度的34%左右;合金的疲勞裂紋萌生于試樣表面,裂紋擴(kuò)展區(qū)由小的平面狀斷面組成,沒有明顯的疲勞輝紋存在,合金疲勞斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

MB8鎂合金;高周疲勞;升降法;疲勞強(qiáng)度

鎂合金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、減震性好,是理想的環(huán)保、節(jié)能材料,近年來在汽車、航空、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。目前工業(yè)上應(yīng)用的鎂合金大部分是鑄造鎂合金,而變形鎂合金經(jīng)過擠壓、軋制和鍛造等工藝后具有比相同成分的鑄造鎂合金更高的力學(xué)性能。用變形鎂合金制成的薄板、棒材、管材和型材具有更低成本、更高強(qiáng)度和延展性以及多樣化的力學(xué)性能優(yōu)點(diǎn),因此具有更加廣闊的應(yīng)用前景[4,5]。變形鎂合金作為一種航空用結(jié)構(gòu)材料,疲勞失效亦是其主要破壞形式之一。由于材料成分、制備和成型工藝對(duì)鎂合金材料的力學(xué)性能綜合影響很大,加之密排六方基底的鎂合金材料形變機(jī)制比較復(fù)雜,因此,目前雖然存在一些關(guān)于鎂合金疲勞試驗(yàn)的文獻(xiàn),但由于疲勞試驗(yàn)的復(fù)雜性,其中大多是有關(guān)高應(yīng)力應(yīng)變控制下低周疲勞壽命的研究,對(duì)低應(yīng)力控制下高周疲勞壽命的研究則不多[6-8]。因此,本工作著重研究MB8鎂合金在應(yīng)力比R=0.1,循環(huán)基數(shù)為107條件下的高周疲勞性能,為進(jìn)一步擴(kuò)大MB8鎂合金在航空上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為MB8鎂合金,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%):1.3～2.2 M n,0.3 Zn,0.2 A l,0.1～0.35 Ce,0.05 Cu,0.07 Ni,余量為M g。拉伸試驗(yàn)采用單肩圓柱形拉伸試樣,試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 The geometry and dimension of tensile specimens

拉伸試驗(yàn)在M TS2810電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為0.5mm/min,采用5根試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),材料的拉伸性能取5根試樣的平均值。MB8鎂合金室溫拉伸性能:σb=262M Pa,σ0.2=168M Pa,δ= 2516%。

將MB8板材加工成標(biāo)距長(zhǎng)度為20mm,標(biāo)距直徑為6mm,總長(zhǎng)度為90mm的軸向光滑高頻疲勞試樣。實(shí)驗(yàn)前沿試樣的軸向用粒度為1200的SiC砂紙細(xì)磨,以排除試樣表面加工缺陷的干擾。試樣尺寸如圖2所示。實(shí)驗(yàn)在PLG220C高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用軸向拉2拉加載方式控制載荷,總應(yīng)力比R=0.1,加載波形為正弦波,頻率為90Hz。在室溫靜態(tài)空氣介質(zhì)環(huán)境中測(cè)定不同載荷條件下的疲勞壽命N。繪制合金的S2N曲線,采用升降法計(jì)算合金在循環(huán)基數(shù)為107時(shí)的疲勞強(qiáng)度;采用JSM 25600LV型掃描電子顯微鏡對(duì)高周疲勞后的樣品進(jìn)行疲勞斷口分析。

圖2 高周疲勞試樣尺寸Fig.2 The geometry and dimensions of high cycle fatigue specimens

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞強(qiáng)度計(jì)算

采用升降法進(jìn)行MB8鎂合金疲勞強(qiáng)度的測(cè)試及計(jì)算[9]。疲勞試驗(yàn)前根據(jù)拉伸性能測(cè)試結(jié)果估算出合金疲勞強(qiáng)度值,然后根據(jù)疲勞強(qiáng)度確定出應(yīng)力增量。根據(jù)文獻(xiàn)[10],對(duì)于鎂合金材料,估算疲勞強(qiáng)度值σr= 0.35σb,應(yīng)力增量Δσ=4.5%σr,實(shí)驗(yàn)在4～5級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)行。根據(jù)升降法原理,MB8鎂合金的高周疲勞試驗(yàn)從高于估算疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開始,在應(yīng)力水平σ0下實(shí)驗(yàn)第一根試樣,該試樣在達(dá)到指定壽命N= 107次循環(huán)沒有發(fā)生斷裂(越出),于是,第二根試樣就在高一級(jí)的應(yīng)力水平σ1下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因該試樣在應(yīng)力水平σ1下經(jīng)107次循環(huán)發(fā)生破壞,故依次實(shí)驗(yàn)第三根試樣時(shí)就在低一級(jí)的應(yīng)力水平σ0下進(jìn)行。按照這個(gè)規(guī)定,凡前一根試樣不到107次循環(huán)就破壞的,則隨后的一次實(shí)驗(yàn)就要在低一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行;凡前一根試樣越出,則隨后的一次實(shí)驗(yàn)就要在高一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行,直到完成全部實(shí)驗(yàn)為止。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)力增量保持不變,圖3為MB8鎂合金疲勞試驗(yàn)載荷升降示意圖。

圖3 MB8鎂合金疲勞試驗(yàn)載荷升降圖Fig.3 Sketch of fatigue load up2and2dow n fo r MB8 magnesium alloy

利用升降法計(jì)算疲勞強(qiáng)度時(shí),第一次出現(xiàn)相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)1和2對(duì)應(yīng)的應(yīng)力平均值,就是利用常規(guī)疲勞試驗(yàn)法得出的疲勞強(qiáng)度值。把所有鄰近出現(xiàn)相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)都配成對(duì):1和2,4和5,7和8,9和10, 12和13,14和15。最后,對(duì)于不能直接配對(duì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)11和16,也可以湊成一對(duì)。總計(jì)共有7對(duì),由這7對(duì)應(yīng)力求得的7個(gè)疲勞強(qiáng)度取平均值,即可作為MB8鎂合金在R=0.1,循環(huán)基數(shù)N=107下疲勞強(qiáng)度的精確值σ0.1(見公式(1))。

2.2 S2N曲線

圖4為MB8鎂合金室溫高周疲勞后繪制的S2N曲線。可以看出,MB8鎂合金的S2N曲線和結(jié)構(gòu)鋼不同,它沒有水平段,所有的試樣都在中長(zhǎng)壽命區(qū)(105～107)發(fā)生斷裂或越出,疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果為9012M Pa。

圖4 MB8鎂合金S2N曲線Fig.4 S2N curve of MB8 magnesium alloy

2.3 疲勞斷口分析

圖5為MB8鎂合金疲勞斷口微觀形貌?？梢杂^察到,其疲勞斷口是典型的軸向載荷高周疲勞斷口,沒有明顯的塑性變形,呈脆性斷裂。MB8鎂合金的疲勞裂紋萌生于試樣表面加工過程中產(chǎn)生的缺陷處。這些表面缺陷能對(duì)材料起到尖缺口的作用,促使應(yīng)力集中,容易產(chǎn)生不均勻的局部滑移和顯微開裂,而加速疲勞裂紋的萌生。疲勞裂紋萌生后,沿與最大正應(yīng)力方向相垂直的方向向合金內(nèi)部擴(kuò)展,當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸后,試樣斷裂。從斷口形貌上看,疲勞源和擴(kuò)展區(qū)是一個(gè)光滑、細(xì)潔的扇形區(qū)域,疲勞源大致位于“扇”柄處的缺陷位置。斷口上比較平坦并具有放射狀條紋的區(qū)域是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。由于本次實(shí)驗(yàn)是高周疲勞性能測(cè)試,其工作應(yīng)力不大,疲勞裂紋擴(kuò)展也就比較充分,所以其疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)比較大。

圖5 MB8鎂合金疲勞斷裂表面形貌 (a)裂紋萌生區(qū);(b)裂紋擴(kuò)展區(qū);(c)失穩(wěn)斷裂區(qū)Fig.5 Fatigue fracture surfacemorphologies of MB8 magnesium alloy(a)crack initiation region;(b)crack p ropagation region;(c)collapse fracture region

MB8鎂合金疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌為平面狀斷面(見圖5(b))。在MB8鎂合金中,疲勞裂紋嚴(yán)格地沿晶粒內(nèi){0001}滑移面擴(kuò)展,因而形成了非常平坦光滑的斷面,當(dāng)其與晶界相遇時(shí),位向會(huì)稍有改變。斷面上沒有發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞輝紋存在。MB8鎂合金失穩(wěn)斷裂區(qū)由大量的韌窩組成(見圖5(c)),由于合金抵抗塑性變形能力較強(qiáng),其斷口表現(xiàn)為韌性斷裂特征。

3 結(jié)論

(1)采用升降法疲勞試驗(yàn)獲得了MB8鎂合金在應(yīng)力比R=0.1,循環(huán)基數(shù)為107下的條件疲勞強(qiáng)度為9012M Pa,約為其抗拉強(qiáng)度的34%。

(2)MB8鎂合金疲勞裂紋萌生于試樣表面,裂紋擴(kuò)展區(qū)由小的平面狀斷面組成,合金疲勞斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

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Experimental Investigation on High Cycle Fatigue Behaviors of MB8 Magnesium A lloy

(1 School of M aterials Science and Engineering,Changchun University of Technology,
Changchun 130012,China;2 Key Labo rato ry of A dvanced Structural M aterials,M inistry of Education,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

The high cycle fatigue behavior of MB8 magnesium alloy at room temperature was investiga2 ted by fatigue test using up2and2dow n method.The fatigue strength of MB8 magnesium alloy was 9012M Pa under stress ratio R=0.1 and cycles N=107conditions.The fatigue strength w as about 34%of its tensile strength.The fatigue cracks initiated at surface of the samp les.The fatigue crack p ropagation regions of MB8 alloy were composed of some facets,and w ithout obvious fatigue stria2 tions.The fatigue fracture surface of specimens revealed the fracture characteristics of dimp le.

MB8 magnesium alloy;high cycle fatigue;up2and2dow n method;fatigue strength

TG146.2

A

100124381(2010)1220044203

吉林省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(20090544)

2009210218;

2010207214

楊友(1972—),男,博士,教授,主要從事汽車材料及金屬材料表面改性研究,聯(lián)系地址:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(130012),E2mail:yangyou_0825@163.com在室溫下,MB8鎂合金的高周疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值(疲勞比)約為0.34,較一般金屬和合金中所觀察到的疲勞比比值(0.4～0.5)[10]稍低。