孫 穎， 王萍萍

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 陽泉 045000；2.遼寧科技大學(xué)， 遼寧 鞍山 114051）

引言

各種工程構(gòu)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(jié)構(gòu)部件。由于鎂合金部件在實(shí)際應(yīng)用中往往受到循環(huán)載荷和（或）熱應(yīng)力的作用，所以在涉及鎂合金材料部件的設(shè)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(shí)際意義。

熱處理在改善合金工藝性能和使用性能時發(fā)揮著重要作用。本文對不同熱處理工藝的軋制態(tài)AZ80D鎂合金的疲勞性能進(jìn)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(shù)據(jù)，以及AZ80D鎂合金在實(shí)際工程中應(yīng)用的可靠性和鎂合金結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計提供了必要的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)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(jīng)過熱擠壓后再經(jīng)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(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)過程中所使用的疲勞試驗(yàn)機(jī)為美國生產(chǎn)MTS810型液壓伺服疲勞機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用軸向反向拉伸全應(yīng)變控制模式，應(yīng)變比為Rε=-1。試驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)空氣介子，實(shí)驗(yàn)室溫度為室溫。名義總應(yīng)變幅變化范圍在0.3%～1%之間?？刂撇ㄐ螢槿切尾ㄐ?，控制頻率為0.5 Hz。各實(shí)驗(yàn)均進(jìn)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(tài)鎂合金分別進(jìn)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(fā)生氧化反應(yīng)，采用錫紙對試樣進(jìn)行包裹。

表2 AZ80D鎂合金的熱處理工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

下頁圖1為經(jīng)過不同熱處理后AZ80D材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線是由實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)而繪制出的。

從圖1應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，AZ80D鎂合金不存在明顯的屈服現(xiàn)象，沒有明顯的屈服平臺，因而屈服點(diǎn)σs無法顯示，只能用σ0.2來表示屈服強(qiáng)度。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，下頁表3顯示了AZ80D鎂合金在不同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能。

從表3可看出經(jīng)軋制后的AZ80D鎂合金已經(jīng)具備了比較好的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度σ0.2達(dá)到了約256.5 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)σb達(dá)到了約325.9 MPa。經(jīng)過固溶處理后的屈服強(qiáng)度σ0.2達(dá)到了約194 MPa，抗拉強(qiáng)度σb達(dá)到了約290 MPa，都有所降低，這是因?yàn)樵诠倘苓^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(qiáng)化；另一方面，晶粒長大導(dǎo)致力學(xué)性能下降。因?yàn)榫Я４只^為顯著所以能下降的更快。所以固溶態(tài)與軋制態(tài)相比，固溶態(tài)抗拉強(qiáng)度值大幅下降，由325.9 MPa降至290.75 MPa，但是經(jīng)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(tài)下AZ80D材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 AZ80D鎂合金不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能

2.2 疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

由圖2-1可見，當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.008和0.01時，合金在整個疲勞變形過程中只發(fā)生循環(huán)應(yīng)變硬化。當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.006時，軋制態(tài)AZ80D鎂合金首先發(fā)生循環(huán)應(yīng)變硬化，然后循環(huán)應(yīng)變硬化率迅速增加，到循環(huán)疲勞周次為200周左右時，循環(huán)應(yīng)變硬化率逐漸減??；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.004時，軋制態(tài)AZ80D鎂合金在開始階段循環(huán)應(yīng)變硬化率比較低，中期迅速增大，到疲勞變形后期呈現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定，最終試件斷裂；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.003時，軋制態(tài)AZ80D鎂合金在開始階段呈現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定，中期循環(huán)應(yīng)變硬化率增大，在斷裂前出現(xiàn)明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象，直到材料斷裂。

從圖2-2可以看出，當(dāng)總應(yīng)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(fā)生循環(huán)應(yīng)變硬化。并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加循環(huán)應(yīng)變硬化率逐漸增大，直至試樣最終斷裂；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.006時，開始階段循環(huán)應(yīng)變硬化率較低，然后迅速上升，當(dāng)達(dá)到300周次左右時，循環(huán)應(yīng)變硬化率逐漸降低。當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.003時，在疲勞變形后期軋制態(tài)和時效態(tài)表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖2 AZ80D鎂合金板材不同狀態(tài)下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

從圖2-3中可以看出，當(dāng)外加總應(yīng)變振幅為0.008和0.01時，AZ80D鎂合金軋制板經(jīng)固溶處理后的整個疲勞過程都發(fā)生循環(huán)應(yīng)變硬化，直到試件斷裂；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.006時，首先表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定，然后循環(huán)應(yīng)變硬化率迅速上升直至試件斷裂；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.003和0.004時，在整個疲勞過程中均呈現(xiàn)明顯的循環(huán)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

由此可見，固溶處理可對軋制AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為產(chǎn)生一定程度的影響，具體表現(xiàn)在固溶態(tài)鎂合金的循環(huán)應(yīng)力要低于軋制態(tài)和時效態(tài)鎂合金的循環(huán)應(yīng)力。這是由于軋制變形鎂合金經(jīng)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(tài)鎂合金的循環(huán)應(yīng)力要低于軋制態(tài)和時效態(tài)鎂合金的循環(huán)應(yīng)力。

2.2.2 熱處理對AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為的影響

圖3所示分別為具有不同加工處理狀態(tài)的AZ80D鎂合金在五個給定的外加總應(yīng)變幅下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線，由此可以更直觀地分析熱處理對AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為所產(chǎn)生的影響。

圖3 不同加工處理狀態(tài)的AZ80D鎂合金在給定總應(yīng)變幅下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

由圖3可明顯看出，當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.003時，在疲勞變形初期軋制態(tài)的AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力幅是最高的，隨著疲勞過程的進(jìn)行，軋制態(tài)的循環(huán)應(yīng)力逐漸與時效態(tài)的相接近，并且在疲勞變形后期都表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.004時，軋制態(tài)的循環(huán)應(yīng)力幅仍然是最高的，固溶態(tài)最低，但是在疲勞變形后期，固溶態(tài)的AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力幅逐漸與時效態(tài)的相接近，都表現(xiàn)為明顯的循環(huán)硬化；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.006和0.008時，可見軋制態(tài)和時效態(tài)的AZ80D鎂合金循環(huán)應(yīng)力幅在整個疲勞過程中都大致相當(dāng)，循環(huán)應(yīng)力幅明顯高于固溶態(tài)的AZ80D鎂合金；當(dāng)外加總應(yīng)變幅為0.01時，其變化規(guī)律與外加總應(yīng)變幅為0.006和0.008相同，只是在疲勞變形初期，軋制態(tài)AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力幅比時效態(tài)AZ80D鎂合金的循環(huán)應(yīng)力幅高，隨著疲勞過程的進(jìn)行，軋制態(tài)與時效態(tài)的應(yīng)力幅趨于一致。上述事實(shí)表明，在低外加總應(yīng)變幅下，軋制態(tài)AZ80D鎂合金對循環(huán)變形抗力是最大的，而固溶態(tài)AZ80D鎂合金相對而言對循環(huán)變形抗力是最小的。

3 結(jié)論

1）軋制后的AZ80D鎂合金已經(jīng)具備了比較好的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度σ0.2、抗拉強(qiáng)度達(dá)σb達(dá)到了最大值；時效態(tài)軋屈服強(qiáng)度σ0.2、抗拉強(qiáng)度達(dá)σb略低于軋制態(tài)；固溶態(tài)AZ80D鎂合金的延伸率達(dá)到了最大值。

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

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