高樹峰,衛(wèi)英慧,,賀秀麗,侯利鋒,郭春麗

(1.呂梁學院,山西 呂梁 033000;2.太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

不同介質(zhì)對AZ31鎂合金疲勞行為的影響

高樹峰1,衛(wèi)英慧1,2,賀秀麗2,侯利鋒2,郭春麗2

(1.呂梁學院,山西 呂梁 033000;2.太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

通過疲勞試驗、掃描電子顯微鏡(SEM)等手段,研究擠壓態(tài)鎂合金AZ31在空氣w(NaCl,Na2SO4)=3.5%2種溶液中的疲勞行為。結(jié)果表明,合金在兩種腐蝕介質(zhì)下的疲勞性能明顯下降,分別為58.91%和34.40%。腐蝕介質(zhì)下,疲勞裂紋萌生機制的改變是鎂合金疲勞性能下降的主要原因。Cl-穿透能力強,易形成點蝕坑,成為最佳萌生源。相比之下,Na2SO4溶液中的腐蝕類型改變和危害性也較小。

擠壓鎂合金;NaCl溶液;Na2SO4溶液;疲勞

鎂合金作為最輕的金屬材料具有良好的延展性和切削加工性能、高的比強度和比剛度、易于回收加工等一系列優(yōu)點,被廣泛應用于交通、航空航天等領域。疲勞性能是衡量材料力學性能的重要指標之一。當前,應用場合的擴展,服役環(huán)境日趨復雜,再加上鎂的化學性質(zhì)活潑,極易發(fā)生化學反應,耐蝕性差,因此,不同環(huán)境下鎂合金疲勞性能的研究顯的尤為迫切和重要。

近年來,國內(nèi)外研究者已開展了一些有關鎂合金在腐蝕介質(zhì)下疲勞性能的研究。其中,以鎂合金NaCl環(huán)境下腐蝕疲勞性能的研究居多。國內(nèi),曾榮昌等人[4-6]研究了擠壓鎂合金AZ80和AM60在NaCl溶液中的腐蝕疲勞性能,分析得出,兩種合金在腐蝕介質(zhì)下的疲勞性能明顯下降,主要原因在于疲勞裂紋萌生機制的不同。劉馬寶等人[7]也對壓鑄鎂合金AM50HP和AZ91HP在NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為,結(jié)果表明壓鑄缺陷是疲勞裂紋主要萌生源。國外,研究者對擠壓和軋制態(tài)鎂合金AZ31[8-9]、壓鑄態(tài)鎂合金AZ91D、AM50和ZK60[10-11]在NaCl溶液中的疲勞行為也進行了研究,研究認為鎂合金的成型工藝、顯微組織形貌等都對鎂合金的腐蝕疲勞性能有一定影響。Chamos et al[12]研究了在鹽霧環(huán)境下腐蝕一定時間的軋制AZ31鎂合金的腐蝕疲勞性能,其疲勞極限降幅達50%。除了NaCl環(huán)境Shahnewaz et al[14]在不同濕度環(huán)境下研究了擠壓鎂合金AZ61的腐蝕疲勞性能,并與NaCl環(huán)境下進行對比分析,得出試樣的疲勞極限在低濕度、高濕度、NaCl環(huán)境下依次降低,后兩者對材料疲勞性能的影響更高。這與Khan et al[15]的研究結(jié)論一致。為了考察濕度的影響,Masaki et al[16]研究了空氣和去離子水介質(zhì)下軋制鎂合金AZ31和擠壓鎂合金AZ61的裂紋擴展行為,雖然空氣比腐蝕介質(zhì)下的裂紋擴展速率稍低,但是兩者很接近。此外,Eliezer et al[17]研究了傳動油和自然礦物油對壓鑄AZ91和AM50棒材鎂合金腐蝕疲勞影響的影響,研究表明,油環(huán)境下,材料的疲勞性能與空氣中接近,相對來說,自然礦物油的影響稍低。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料選用棒狀擠壓鎂合金AZ31,其成分見表1,試樣形狀及尺寸如圖1所示。

表1 試驗用鎂合金AZ31化學成分(質(zhì)量分數(shù))

圖1 鎂合金AZ31疲勞試樣尺寸(mm)

1.2 實驗方法及設備

本實驗采用PLG-200D型高頻拉-壓疲勞實驗機,加載頻率99.0～102.0 Hz,應力比為0.1。實驗過程中,試樣始終浸蝕于w(NaCl,Na2SO4)=3.5%溶液中,空氣(室溫)環(huán)境下的試驗為參比試驗。筆者認為當試樣疲勞達到1×107次循環(huán)次數(shù)未發(fā)生斷裂時,試樣所承載的疲勞載荷為材料在該環(huán)境下的疲勞極限,此時,實驗被手動停止。或者試樣未達到1×107次循環(huán)次數(shù)即發(fā)生斷裂,則疲勞試驗機會自動停止。

2 實驗結(jié)果

2.1 疲勞實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)ISO 12107:2012疲勞實驗處理方式,采用origin軟件,通過雙對數(shù)處理,擬合分析AZ31鎂合金在空氣、w(NaCl,Na2SO4)=3.5%環(huán)境下最大疲勞加載應力與相應循環(huán)次數(shù)間的關系曲線(S-N曲線)。如圖2所示,與空氣環(huán)境下相比,AZ31鎂合金在w(NaCl,Na2SO4)=3.5%環(huán)境下的疲勞性能明顯惡化。以NaCl環(huán)境下,疲勞極限的降低尤為嚴重。試樣在空氣、w(NaCl,Na2SO4)=3.5%環(huán)境下的疲勞極限分別為:163.89 MPa，67.35 MPa和107.51 MPa。可以看出,雖然在Na2SO4環(huán)境中,AZ31鎂合金的腐蝕疲勞極限下降率稍低于NaCl環(huán)境中的,但是相比于空氣中還是下降了34.40%,其影響不容忽視,具有重要研究價值。實際工程應用中,大量工程應用機械設備及交通工具等都需要放置于露天環(huán)境中,如果因為外界環(huán)境(酸雨)的影響使設備的安全使用性能無法保證,著實令人惋惜。

圖2 AZ31鎂合金不同環(huán)境下S-N曲線分析

如表2所示為不同環(huán)境下,AZ31鎂合金S-N曲線相關參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。a和b分別為相應環(huán)境下S-N曲線的截距和斜率。R為相關參數(shù),是曲線數(shù)據(jù)離散程度的重要評估參數(shù)。相關參數(shù)R越接近1,則曲線擬合程度越好。可以看出,三個S-N曲線擬合程度差不多,均較好。

表2 AZ31鎂合金不同環(huán)境下S-N曲線相關參數(shù)

2.2 腐蝕特征

如圖3所示，試樣在空氣中(圖3-a)不發(fā)生腐蝕,試樣邊緣光滑。在NaCl溶液中(圖3-b)發(fā)生了嚴重的點蝕,點蝕坑尺寸在交變載荷作用下不斷聚集長大,其是疲勞裂紋萌生最佳位置。Na2SO4溶液與AZ31鎂合金的腐蝕類型與NaCl溶液的明顯不同,試樣在Na2SO4溶液中(圖3-c)并未發(fā)生點蝕,試樣邊緣出現(xiàn)一薄層斷斷續(xù)續(xù)的腐蝕層,并沒有沿徑向局部擴張現(xiàn)象,可以認為是均勻腐蝕,這表明硫酸根離子的侵蝕性弱于Cl-,與腐蝕疲勞試驗結(jié)果相吻合。

2.3 疲勞斷口特征

如圖4所示,具備了疲勞裂紋萌生、擴展、瞬斷三個典型區(qū)域?？諝夂蚇a2SO4環(huán)境下,試樣疲勞裂紋萌生于光滑近表面,如圖4-a和4-c(橢圓區(qū)域),與上述鎂合金在Na2SO4溶液中均勻腐蝕特征相符。但NaCl溶液不同,疲勞裂紋明顯源自點蝕坑(圖4-b橢圓區(qū)域),與文獻[8-11]描述一致。另外,從三種環(huán)境下的疲勞斷口還可以看到明顯的扇形花樣,具有二次裂紋、解理臺階等解理斷裂的重要特征[18-19]。綜上所述,腐蝕環(huán)境對AZ31鎂合金腐蝕疲勞性能的影響主要體現(xiàn)于裂紋萌生階段,對裂紋擴展方式和材料斷裂類型的影響不大。

圖3 疲勞棒狀試樣在不同環(huán)境下的橫截面腐蝕形貌:(a)空氣,200 MPa;(b)NaCl溶液,100MPa;(c)Na2SO4溶液,125 MPa

圖4 AZ31鎂合金在不同環(huán)境下的腐蝕疲勞斷口:(a)空氣,200 MPa;(b)3.5% NaCl溶液,100 MPa;(c)3.5 wt.% Na2SO4溶液,125 MPa

3 討論

與空氣中相比,AZ31鎂合金在Na2SO4溶液中的疲勞極限降幅達34.4%。而在NaCl溶液環(huán)境下,疲勞極限下降尤為惡劣,降幅達一半以上,58.91%。這主要是由于雖然NaCl溶液和Na2SO4溶液與AZ31鎂合金的基本腐蝕機理相同,如下公式所述反應公式[20],但是其反應速度不同。

陽極反應: Mg→Mg2++2e,

(1)

陰極反應: 2H2O+2e→H2+2OH-,

(2)

腐蝕產(chǎn)物: Mg2++2OH-→Mg(OH)2,

(3)

總反應: Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2.

(4)

Cl-半徑小,穿透能力強,已形成點蝕坑。與Mg(OH)2發(fā)生反應生成MgCl2加速總反應式向溶解方向移動,加速化學反應的進行。相對來說,SO42-半徑大,侵蝕性較弱,但其在整個溶液中的遷移率高,分布均勻,可以較均勻吸附于鎂合金表面,形成均勻腐蝕,危害性相對較小。這與圖3觀察到的腐蝕現(xiàn)象相同。

上述分析表明Cl-和SO42-侵蝕性和腐蝕特征的明顯不同,這與圖4中AZ31鎂合金在兩種環(huán)境下的形成點蝕坑和相對光滑的疲勞裂紋萌生源相吻合,而裂紋擴展區(qū)均展現(xiàn)解理斷裂特征。這表明腐蝕介質(zhì)不會改變AZ31鎂合金疲勞裂紋的擴展方式,則其疲勞性能的惡化主要是由于疲勞裂紋萌生機制的轉(zhuǎn)變。在周圍腐蝕介質(zhì)和疲勞交變載荷的作用下,AZ31鎂合金一旦與NaCl和Na2SO4環(huán)境相接觸,迅速發(fā)生腐蝕反應在試樣表面形成腐蝕產(chǎn)物膜,但在交變載荷、Cl-和SO42-的作用下,試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜不斷被撕裂、破壞,使更多的腐蝕溶液擴散進入,降低試樣的腐蝕疲勞壽命。相對于Na2SO4環(huán)境下形成的均勻腐蝕層沿試樣徑向?qū)訉油七M,NaCl溶液在基體表面形成的點蝕坑更容易產(chǎn)生應力集中。再加上交變載荷的作用,點蝕坑不斷聚集合并長大,一定尺寸時,疲勞裂紋便萌生和擴展,NaCl溶液對AZ31鎂合金的腐蝕疲勞性能影響更大。而SO42-的均勻腐蝕相對局部腐蝕(點蝕)而言,危害性小得多,臨界尺寸的形成需要時間較長,這無形之中為構(gòu)件延長了服役時間,提高了材料的疲勞壽命。但要想完全消除SO42-的影響,則需要通過進行一定表面處理進行改善,這點有待進一步研究探討。

4 結(jié)論

1)NaCl溶液和Na2SO4溶液對AZ31鎂合金腐蝕疲勞性能有重要影響,疲勞極限分別下降58.91%和34.40%。但與空氣中相比,材料的疲勞性能均惡化,硫酸根離子的影響不容忽視。

2)AZ31鎂合金在NaCl溶液和Na2SO4溶液中的腐蝕特征不同,前者屬于點蝕,后者為均勻腐蝕,是AZ31鎂合金在不同環(huán)境下腐蝕疲勞裂紋萌生機制改變的主要原因。

3)在交變載荷作用下,AZ31鎂合金在NaCl環(huán)境下形成的點蝕坑不斷聚集長大,一定尺寸時,疲勞裂紋萌生、擴展,直至試樣斷裂失效,其危害性要大于SO42-。而SO42-與AZ31鎂合金發(fā)生均勻腐蝕,疲勞裂紋形核源需要較長時間長至臨界尺寸,一定程度上延緩了試樣的疲勞斷裂。

[1] Chamos A N,Pantelakis Sp G,Haidemenopoulos G N,et al.Tensile and fatigue behaviour of wrought magnesium alloys AZ31 and AZ61[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,2008,31(9):812-821.

[2] Nan Z,Ishihara S,Goshima T,et al.Fatigue behavior of AZ31 extruded magnesium alloy in laboratory air[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers A,2004,70(696):1146-1152.

[3] Yang F,Yin S M,Li S X,et al.Crack initiation mechanism of extruded AZ31 magnesium alloy in the very high cycle fatigue regime[J].Materials Science and Engineering A,2008,491:131-136.

[4] 曾榮昌,韓恩厚,柯偉,等.變形鎂合金AZ80的腐蝕疲勞機理[J].材料研究學報,2004,18(6):561-567.

[5] 曾榮昌,韓恩厚,柯偉,等.擠壓鎂合金AM60的腐蝕疲勞[J].材料研究學報,2005,19(1):1-7.

[6] Zhou H M,Wang J Q,Zang Q S,et al.Study on the effect of Cl-concentration on the corrosion fatigue damage in a rolled AZ31B magnesium alloy by acoustic emission[J].Key Engineering Materials,2007,353-358:327-330.

[7] 劉馬寶,雷軍，高玉俠，等.壓鑄鎂合金腐蝕疲勞性能的研究[J].航空材料學報,2007,27(1):76-80.

[8] Ishihara S,Nan Z Y,Namito T,et al.On electrochemical polarization curve and corrosion fatigue resistance of the AZ31 magnesium alloy[J].Key Engineering Materials,2010,452-453:321-324.

[9] Nan Z Y,Ishihara S,Goshima T.Corrosion fatigue behavior of extrudedmagnesium alloy AZ31 in sodium chloride solution[J].International Journal of Fatigue,2008,30:1181-1188.

[10] Eliezer A,Gutman E M,Abramov E,et al.Corrosion fatigue of die-cast and extruded magnesium alloys[J].Journal of Light Metals,2001:179-186.

[11] Unigovski Ya,Eliezer A,Abramov E,et al.Corrosion fatigue of extruded magnesium alloys[J].Materials and Engineering A,2003,360:132-139.

[12] Chamos A N,Pantelakis Sp G,Spiliadis V.Fatigue behaviour of bare and pre-corroded magnesium alloy AZ31[J].Materials and Design,2010,31:4130-4137.

[13] Mutoh Y,Shahnewaz Bhuiyan M,Sajuri Z.High cycle fatigue behavior of magnesium alloys under corrosive environment[J].Key Engineering Materials,2008,378-379:131-146.

[14] Shahnewaz Bhuiyan Md,Mutoh Y,Murai T,et al.Corrosion fatigue behavior of extruded magnesium alloy AZ61 under three different corrosive environments[J].International Journal of Fatigue,2008,30:1756-1765.

[15] Khan S A,Bhuiyan Md S,Miyashita Y,et al.Corrosion fatigue behavior of die-cast and shot-blasted AM60 magnesium alloy[J].Materials Science and Engineering A,2011,528:1961-1966.

[16] Masaki N,Keiro T,Yoshihiko U,et al.Effects of humidity and water environment on fatigue crack propagation in magnesium alloys[J].Society of Materials Science,2007,56(8):764-770.

[17] Eliezer A,Medlinsky O,Haddad J,et al.Corrosion fatigue behavior of magnesium alloys under oil environments[J].Materials Science and Engineering A,2008,477:129-136.

[18] He X L,Wei Y H,Hou L F,et al.High-frequency corrosion fatigue behavior of AZ31 magnesium alloy in different environments[J].Journal of Mechanical Engineering Science,2014,228(10):1645-1657.

[19] He X L,Wei Y H,Hou L F,et al.Corrosion fatigue behavior of epoxy-coated Mg-3Al-1Zn alloy in NaCl solution[J].Rare Metals,2014,33(3):276-286.

[20] 郝獻超,周婉秋,鄭志國.AZ31鎂合金在NaCl溶液中的電化學腐蝕行為研究[J].沈陽師范大學學報:自然科學版,2004,22(2):117-121.

(編輯：劉笑達)

Effect of Different Environments on the Fatigue Behavior of AZ31 Magnesium Alloy

GAO Shufeng1,WEI Yinghui1,2,HE Xiuli2,HOU Lifeng2,GUO Chunli2

(1.LüliangCollege,Lüliang,Shanxi033000,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

The fatigue behavior of extruded AZ31 magnesium alloy in air,w(NaCl,Na2SO4=3.5%) solutions was studied by using fatigue test and scanning electron microsropg.The fatigue properties of AZ31 magnesium alloy in the two corrosive encironments were reduced by 58.91% and 34.40%,respectively.In the corrosive environments,the change of the fatigue crack initiation mechanism is the main reason for the reduction of fatigue properties.CI-has strong penetration capacity and is easy to form corrosion pits on the specimen surface,which become the best crack initiation source.Comparatively,the corrosion type change in Na2SO4solution and the harmfulness are smaller.

extruded magnesium alloy;NaCl solution;Na2SO4solution;fatigue

2014-11-07

國家自然科學基金資助項目：金屬材料表面合金層原位形成過程中同步擴散行為的研究(51001079，21201129，51208333，513741511)；山西省自然科學基金資助項目(201101102002)；中國博士后科學基金(20100471586)；高等學校博士點專項科研基金(20091402110010)的支持

高樹峰(1965-)，男，山西臨縣人，副教授，主要從事材料學研究，(Tel)13834351903

1007-9432(2015)01-0045-04

TG172.9

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.009