擠壓GW83鎂稀土合金低周疲勞行為研究.pdf

1、鎂合金運動型零部件服役時反復承受外加循環(huán)載荷，往往容易以疲勞的方式失效，研究變形鎂合金的疲勞行為和調(diào)控其疲勞性能具有重要意義。本文以新型高性能鎂稀土合金Mg-8Gd-3Y-0.3Zr(GW83)擠壓材為研究對象，首先通過應變控制，研究獲得了不同應變條件下GW83合金的低周疲勞壽命，然后采用光學顯微鏡(OM)，背散射電子衍射(EBSD)，透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)等分析手段，研究了具有弱變形織構(gòu)和強時效強化效應鎂稀土合金的循環(huán)

2、塑性變形行為、損傷行為和疲勞裂紋擴展行為，最后從理論上闡述了弱變形織構(gòu)合金的循環(huán)變形機理和低周疲勞損傷失效機制。
　　單向拉伸和單向壓縮研究結(jié)果表明，擠壓態(tài)和時效態(tài)GW83合金的拉伸和壓縮應力應變曲線幾乎對稱，從彈性階段到塑性階段過渡平滑。時效態(tài)合金單向拉伸和壓縮強度分別遠高于擠壓態(tài)合金的強度。
　　低周疲勞壽命研究結(jié)果表明，擠壓態(tài)GW83合金R=0,-1,-∞疲勞的ε-N曲線均存在明顯的拐點，拐點應變幅值分別為0.80％，

3、0.75%和0.55%，對應的疲勞壽命分別為400周，1521周和7560周。在相同的應變幅值下，應變比越小，疲勞壽命越高。與常規(guī)強織構(gòu)AZ31B和ZK60等鎂合金相比，弱織構(gòu)GW83合金激活孿生變形的應變幅值更大。當應變幅值低于拐點應變幅值時，無孿生參與塑性變形，表現(xiàn)出完全對稱的穩(wěn)態(tài)應力-應變滯回曲線；當應變幅值高于拐點應變幅值時，少量體積分數(shù)的孿生參與塑性變形，表現(xiàn)出幾乎對稱的穩(wěn)態(tài)應力-應變滯回曲線。時效態(tài)合金拉壓疲勞的ε-N曲線存

4、在兩個明顯的拐點，其拐點應變幅值分別為0.49%和0.80%，對應的疲勞壽命分別為19500周和1020周。當應變幅值小于0.49%時，未發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)出完全對稱的穩(wěn)態(tài)應力-應變滯回曲線；當應變幅值介于0.49%和0.80%時，無孿生參與塑性變形，也表現(xiàn)出完全對稱的穩(wěn)態(tài)應力-應變滯回曲線；當應變幅值大于0.80%時，少量體積分數(shù)的孿生參與塑性變形，表現(xiàn)出幾乎對稱的穩(wěn)態(tài)應力-應變滯回曲線。當應變幅值小于0.80%時，時效態(tài)的疲勞壽命大

5、于擠壓態(tài)的疲勞壽命，但是當應變幅值大于0.80%時，時效態(tài)的疲勞壽命小于擠壓態(tài)的疲勞壽命。擠壓態(tài)和時效態(tài)鎂合金低周疲勞壽命與應變幅值關(guān)系均滿足 Coffin-Manson(C-M)方程。擠壓態(tài) GW83鎂合金剪切疲勞的ε-N曲線存在兩個明顯的拐點，其拐點值為0.64%和1.0%，對應的疲勞壽命為20400周和2275周。在應變幅值0.40%～2.4%范圍，有孿生參與塑性變形，且穩(wěn)態(tài)剪切應力-剪切應變滯回曲線完全對稱；當應變幅值小于0.6

6、4%時，斷裂方式為剪切斷裂；當應變幅值大于1.0%時，斷裂方式為拉伸斷裂；當應變幅值介于0.64%～1.0%時，斷裂方式為拉伸和剪切的混合斷裂。與傳統(tǒng)擠壓鎂合金相比，擠壓態(tài)GW83合金表現(xiàn)出更高的剪切疲勞壽命。
　　擠壓態(tài)和時效態(tài)GW83合金的拉壓循環(huán)塑性變形行為研究結(jié)果表明，當應變幅值低于拐點應變幅值，滑移為主要變形機制；當應變幅值大于拐點應變幅值，滑移和孿生為主要變形機制；出現(xiàn)了顯著的孿生-去孿行為。隨著循環(huán)周次的增加，一周次

7、內(nèi)新生的孿晶分數(shù)逐次增加，擠壓態(tài)和時效態(tài)合金的循環(huán)應力-應變滯回曲線的形狀從凸形逐漸演化成凹形。由于下半支和上半支均先發(fā)生去孿然后發(fā)生孿生，弱織構(gòu)的GW83合金循環(huán)變形表現(xiàn)出幾乎對稱的應力-應變滯回曲線。在單向拉伸和單向壓縮中，時效態(tài)GW83合金的孿晶分數(shù)大于擠壓態(tài)的孿晶分數(shù)。在循環(huán)變形中，擠壓態(tài)合金殘余孿晶分數(shù)隨循環(huán)周次增加而增加；而時效態(tài)殘余孿晶分數(shù)變化不明顯。
　　擠壓態(tài)和時效態(tài)GW83合金的疲勞損傷行為研究結(jié)果表明，當應變

8、幅值為0.5%時(小于拐點應變幅值)，微裂紋主要萌生于駐留滑移帶和晶界，然后沿駐留滑移帶緩慢擴展；臨近疲勞失效時基體中存在大量的微裂紋，而無明顯主裂紋；疲勞裂紋萌生階段循環(huán)應力-應變曲線形狀不改變，其壽命約占總疲勞壽命的90%；析出相明顯阻礙位錯滑移和抑制駐留滑移帶裂紋形成，有利于提高疲勞裂紋萌生壽命。當應變幅值為1.2%時(大于拐點應變幅值)，微裂紋主要萌生于晶界，疲勞裂紋萌生壽命占總疲勞壽命的50%；后半疲勞壽命階段微裂紋沿晶界迅速

9、長大，合并其它小裂紋形成主裂紋；未發(fā)現(xiàn)表面孿晶引致的表面裂紋。
　　擠壓態(tài)和時效態(tài)GW83合金的疲勞裂紋擴展行為結(jié)果表明，沿擠壓方向加載，裂紋擴展偏離預制裂紋方向，偏轉(zhuǎn)角約20°；沿擠壓徑向加載，裂紋擴展方向與預制裂紋方向幾乎平行。循環(huán)載荷下預制裂紋的擴展方式以穿晶為主。加載比越大，應力強度因子范圍門檻值越小，擴展速率越快。時效析出相減小微裂紋偏折幅度而增加裂紋的擴展速率，導致疲勞裂紋擴展壽命減小。沿不同方向加載，弱織構(gòu)擠壓態(tài)合金