铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金拉伸和疲劳行为的研究

摘要

节能减排是现代汽车发展的重要发展方向，大型结构件(如汽车发动机缸体)减重是实现汽车节能减排的重要手段。作为最轻的金属结构材料，镁合金如果能够承受发动机工作时的温度和载荷，那么采用镁合金代替铝合金制造汽车发动机缸体则能够有效减轻发动机重量，从而明显提高发动机功率和燃料效率。NZ30K(Mg-3Nd-0.2Zn-1Zr，wt.％)镁合金具有良好的室温强度和高温蠕变性能，非常适合用于制备镁合金发动机缸体及相关结构部件。镁合金结构件在服役过程中往往要承受交变载荷，因此疲劳行为的研究是NZ30K镁合金材料应用的基础。
　　本研究以铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金为研究对象，分别研究热处理状态、晶粒尺寸、主要合金元素含量、铸造缺陷以及测试温度对合金拉伸和疲劳性能的影响，选取AZ91D-T6商用镁合金为参考合金，揭示上述多种因素对铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金拉伸和疲劳行为的影响规律，并在统计规律的基础上建立相关数学模型对合金的疲劳强度和疲劳寿命进行预测，为铸造NZ30K镁合金的应用提供基础理论支持。研究表明：
　　热处理能够明显影响NZ30K合金的拉伸性能：①与铸态(As-cast)合金相比，峰值时效态(T6-PA：540℃×10h+200℃×14h)合金的屈服强度(144MPa)和抗拉强度(285MPa)分别提高了60%和47%，而延伸率相当(8%)。②不同时效处理合金的屈服强度相差较小(<12MPa)。③与商用AZ91D-T6合金相比，时效处理态NZ30K合金表现出更优的屈服强度(+30MPa)和抗拉强度(+60MPa)，较高的延伸率(增幅>100%)。与GM汽车发动机汽缸用A319-T6铝合金相比，NZ30K合金屈服强度相对较低(-58MPa)，抗拉强度较高(+28MPa)，具有两倍以上的延伸率(由大约3%增加到8%)。
　　热处理能够明显影响 NZ30K合金的疲劳强度(σf)：①与铸态(As-cast)合金相比(σf=80MPa)，峰值时效(T6-PA)处理能够显著提高合金的疲劳强度，增幅约为25%(20MPa)。NZ30K-T6-PA合金的疲劳强度要明显高于商用 AZ91-T6合金的疲劳强度(σf=80MPa)，提高约25%(20MPa)。②滑移带开裂是铸态(As-cast)和T6合金疲劳裂纹萌生的主要方式；而孪晶引发的循环变形和不可逆破坏可能是NZ30K-T4合金疲劳失效的主要原因。③As-cast-NZ30K合金在外加总应变幅作用下，表现为循环应变硬化；T6-PA合金在较高的外加总应变幅下呈现先循环应变硬化和后期循环软化，在较低的外加总应变幅下则表现为循环稳定；而T62-OA(540℃×10h+250℃×10h)合金在外加总应变幅下呈现循环稳定。与挤压态AZ31合金循环应力-应变曲线拉压不对称性不同，各种热处理状态的铸造NZ30K合金的应变疲劳滞后回线并没有出现明显的拉压不对称现象。
　　铸造NZ30K合金的晶粒尺寸(d)与Zr元素的实际含量(CZr)呈指数关系变化：d=Lg(d)=-0.59·Lg(CZr)+1.49。平均晶粒尺寸在43～1562μm范围内，NZ30K合金的屈服强度与晶粒尺寸d表现出双Hall-Petch(H-P)符合关系：当平均晶粒尺寸为172～1562μm时，晶粒尺寸 d强化屈服强度的系数较大(30～67MP·mm1/2)；当平均晶粒尺寸为43～172μm时，晶粒尺寸d强化屈服强度的系数较小(11～18MP·mm1/2)。NZ30K合金的晶粒尺寸对疲劳强度的影响也 H-P符合关系，即晶粒尺寸越小，材料的疲劳强度越高，且拉压和旋转弯曲疲劳的H-P强化系数均为10MPa·mm-0.5。减小晶粒尺寸虽然能够提高NZ30K合金的疲劳性能，但并不明显影响疲劳裂纹萌生形式。
　　Mg-yNd-0.2Zn-1Zr合金的屈服强度和疲劳强度与合金中Nd含量呈线性增长关系。Nd元素以析出相形式存在时，对屈服强度的贡献是以固溶原子形式存在时的3倍，对疲劳强度的贡献是以固溶原子形式存在时的1.5倍左右。尽管微量Zn的添加可以明显改善Mg-Nd-Zn-Zr合金在200℃峰值时效态下合金的塑性，但Zn元素含量变化对铸造Mg-3Nd-1Zr合金的拉伸强度、硬化行为和疲劳性能影响并不明显。
　　对比重力金属型铸造(GPM)、低压金属型铸造(LPM)和低压砂型铸造(LSM)可以发现，GPM和LPM铸造的NZ30K合金存在少量缩松，而LSM铸造的NZ30K合金致密、很少观察到显微缩松。缩松能够显著降低NZ30K合金的拉伸和疲劳性能。含缺陷的NZ30K合金的疲劳裂纹主要萌生于铸造缺陷处，而无缺陷NZ30K合金的疲劳裂纹主要萌生于合金试样表面，是塑性变形的结果。双参数Weibull分析表明，与疲劳裂纹萌生于滑移带或者孪晶开裂的情形相比，缩松的存在会显著恶化NZ30K合金的疲劳寿命。
　　砂型铸造NZ30K发动机缸体关键部位(Bulkhead)比较致密，很少观察到显微缩松。氧化物夹杂是恶化NZ30K-T6镁合金发动机缸体疲劳性能的主要因素。试样表面或次表面的氧化膜是合金试样疲劳裂纹萌生的主要原因。减小铸件中氧化膜的数量和尺寸，能够有效地提高铸件的疲劳性能。室温下，应力幅为88MPa时，NZ30K-T6合金中的临界氧化膜尺寸(疲劳寿命超过1E7)为90μm；150℃下，应力幅为72MPa时，临界氧化膜尺寸为130μm。与商用AZ91D镁合金相比，NZ30K-T6镁合金发动机缸体表现出更高的疲劳强度：室温情况下，NZ30K-T6合金的拉压疲劳强度约为88MPa，相对于商用AZ91-T6合金(65MPa)提高了大约38%，低于商用A319铝合金(103MPa)。
　　高温测试环境(150℃)会明显降低NZ30K-T6合金的屈服强度和疲劳强度。与室温(RT-25℃)相比，高温下(ET-150℃)合金的屈服强度和疲劳强度分别降低了22MPa(13%)和19MPa(23%)。高温(ET-150℃)对NZ30K合金疲劳性能的恶化作用大于对A319铝合金的恶化作用。
　　当不考虑固溶原子之间的交互作用时，利用公式σ0.2=σ0+ kd-0.5+(kNd1/nCNd+kZn1/nCZn)n，可以较为成功地预测T4-Mg-yNd-zZn-xZr合金的屈服强度，预测值与试验值之间的误差为1.98%。当固溶原子之间的交互作用以mBS[(CZn+CNd)(1–CNd–CZn)]2形式表示时，预测值与试验值之间的平均误差约减小为1.57%。当不考虑固溶原子之间的交互作用时，利用公式σ0.2(MPa)≈23+18.1d-0.5+114.7CZn+30.2CNd，可以较为成功地预测T6-Mg-yNd-zZn-xZr合金的屈服强度，预测值与试验值之间的误差为1.87%。
　　统计结果表明，铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金的疲劳强度(σf)与合金屈服强度(σ0.2)呈线性关系：σf(T4)≈0.68σ0.2+25，σf(T6)≈0.46σ0.2+32；铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金的疲劳强度(σf)与合金抗拉强度(σb)也呈线性关系：σf(T4)≈0.29σb+26，σf(T6)≈0.22σb+36；采用上述两组经验公式预测合金疲劳强度的平均误差均为3.5%，即根据铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金的室温拉伸强度(σ0.2和σb)可有有效的预测其疲劳强度。
　　对于铸造Mg-Nd-Zn-Zr合金，长裂纹模型和短裂纹模型都可以用于预测含有铸造缺陷的镁合金的疲劳寿命；而对于不含铸造缺陷的Mg-Nd-Zn-Zr合金而言，相对于长裂纹模型，修正后的短裂纹模型可以更加准确地预测其疲劳寿命。采用Basquin模型能够预测不含缺陷的Mg-Nd-Zn-Zr镁合金的疲劳寿命。