M B8鎂合金高周疲勞實驗研究

楊 友

(1長春工業(yè)大學材料科學與工程學院,長春130012;2長春工業(yè)大學先進結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點實驗室,長春130012) YANG You1,2

M B8鎂合金高周疲勞實驗研究

楊 友1,2

(1長春工業(yè)大學材料科學與工程學院,長春130012;2長春工業(yè)大學先進結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點實驗室,長春130012) YANG You1,2

采用升降法對MB8鎂合金室溫高周疲勞行為進行實驗研究。結(jié)果表明:利用升降法計算出MB8鎂合金在應(yīng)力比R=0.1,循環(huán)基數(shù)為107條件下的疲勞強度為90.2MPa,相當于其抗拉強度的34%左右;合金的疲勞裂紋萌生于試樣表面,裂紋擴展區(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;疲勞強度

鎂合金質(zhì)量輕、比強度高、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、更高強度和延展性以及多樣化的力學性能優(yōu)點,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、制備和成型工藝對鎂合金材料的力學性能綜合影響很大,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)于鎂合金疲勞試驗的文獻,但由于疲勞試驗的復(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,為進一步擴大MB8鎂合金在航空上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實驗材料和實驗方法

實驗材料為MB8鎂合金,化學成分(質(zhì)量分數(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

拉伸試驗在M TS2810電液伺服試驗機上進行,拉伸速度為0.5mm/min,采用5根試樣進行拉伸試驗,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板材加工成標距長度為20mm,標距直徑為6mm,總長度為90mm的軸向光滑高頻疲勞試樣。實驗前沿試樣的軸向用粒度為1200的SiC砂紙細磨,以排除試樣表面加工缺陷的干擾。試樣尺寸如圖2所示。實驗在PLG220C高頻疲勞試驗機上進行,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,采用升降法計算合金在循環(huán)基數(shù)為107時的疲勞強度;采用JSM 25600LV型掃描電子顯微鏡對高周疲勞后的樣品進行疲勞斷口分析。

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 疲勞強度計算

采用升降法進行MB8鎂合金疲勞強度的測試及計算[9]。疲勞試驗前根據(jù)拉伸性能測試結(jié)果估算出合金疲勞強度值,然后根據(jù)疲勞強度確定出應(yīng)力增量。根據(jù)文獻[10],對于鎂合金材料,估算疲勞強度值σr= 0.35σb,應(yīng)力增量Δσ=4.5%σr,實驗在4～5級應(yīng)力水平下進行。根據(jù)升降法原理,MB8鎂合金的高周疲勞試驗從高于估算疲勞強度的應(yīng)力水平開始,在應(yīng)力水平σ0下實驗第一根試樣,該試樣在達到指定壽命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的應(yīng)力水平σ1下進行實驗,因該試樣在應(yīng)力水平σ1下經(jīng)107次循環(huán)發(fā)生破壞,故依次實驗第三根試樣時就在低一級的應(yīng)力水平σ0下進行。按照這個規(guī)定,凡前一根試樣不到107次循環(huán)就破壞的,則隨后的一次實驗就要在低一級的應(yīng)力水平下進行;凡前一根試樣越出,則隨后的一次實驗就要在高一級的應(yīng)力水平下進行,直到完成全部實驗為止。在整個實驗過程中,應(yīng)力增量保持不變,圖3為MB8鎂合金疲勞試驗載荷升降示意圖。

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

利用升降法計算疲勞強度時,第一次出現(xiàn)相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點1和2對應(yīng)的應(yīng)力平均值,就是利用常規(guī)疲勞試驗法得出的疲勞強度值。把所有鄰近出現(xiàn)相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點都配成對:1和2,4和5,7和8,9和10, 12和13,14和15。最后,對于不能直接配對的數(shù)據(jù)點11和16,也可以湊成一對。總計共有7對,由這7對應(yīng)力求得的7個疲勞強度取平均值,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壽命區(qū)(105～107)發(fā)生斷裂或越出,疲勞強度計算結(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。可以觀察到,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)部擴展,當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸后,試樣斷裂。從斷口形貌上看,疲勞源和擴展區(qū)是一個光滑、細潔的扇形區(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)域是疲勞裂紋擴展區(qū)。由于本次實驗是高周疲勞性能測試,其工作應(yīng)力不大,疲勞裂紋擴展也就比較充分,所以其疲勞裂紋擴展區(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,疲勞裂紋嚴格地沿晶粒內(nèi){0001}滑移面擴展,因而形成了非常平坦光滑的斷面,當其與晶界相遇時,位向會稍有改變。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,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下的條件疲勞強度為9012M Pa,約為其抗拉強度的34%。

(2)MB8鎂合金疲勞裂紋萌生于試樣表面,裂紋擴展區(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。

[1] 張丁非,彭建.鎂及鎂合金的資源、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].材料導報,2004,(4):72-76.

[2] 訾邴濤,王輝.鎂合金及其在工業(yè)中的應(yīng)用[J].稀有金屬, 2004,(1):229-232.

[3] MORD IKE B L,EBERT T.M agnesium:p roperties2app lications2 potential[J].Materials Science and Engineering A,2001,(1): 37-45.

[4] 陳振華.變形鎂合金[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[5] 余昆,黎文獻,王日初,等.變形鎂合金的研究、開發(fā)及應(yīng)用[J].中國有色金屬學報,2003,(4):277-288.

[6] L IF,WANG Y,CHEN L J,et al.Low2cycle fatigue behavio r of two magnesium alloys[J].Journal of Materials Science Letters, 2005,(40):1529-1531.

[7] OGAREV IC V V,STEPHENSR I.Fatigue of magnesium alloys [J].Annual Review Materials Science,1990,(20):141-177.

[8] MA YER H,L IPOWSKY H,PAPA KYRIACOU M,et al.Fa2 tigue p ropertiesof high p ressure die castmagnesium alloys at high numbers of cycles[A].Process 7thInternational Fatigue Confer2 ence[C].Beijing:Higher Education Press,1999.

[9] 徐灝.疲勞強度[M].北京:高等教育出版社,1987.

[10] 鄧增杰,周敬恩.工程材料的斷裂與疲勞[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.

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:長春工業(yè)大學材料科學與工程學院(130012),E2mail:yangyou_0825@163.com在室溫下,MB8鎂合金的高周疲勞強度與抗拉強度的比值(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。