挤压GW83镁稀土合金低周疲劳行为研究

摘要

镁合金运动型零部件服役时反复承受外加循环载荷，往往容易以疲劳的方式失效，研究变形镁合金的疲劳行为和调控其疲劳性能具有重要意义。本文以新型高性能镁稀土合金Mg-8Gd-3Y-0.3Zr(GW83)挤压材为研究对象，首先通过应变控制，研究获得了不同应变条件下GW83合金的低周疲劳寿命，然后采用光学显微镜(OM)，背散射电子衍射(EBSD)，透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等分析手段，研究了具有弱变形织构和强时效强化效应镁稀土合金的循环塑性变形行为、损伤行为和疲劳裂纹扩展行为，最后从理论上阐述了弱变形织构合金的循环变形机理和低周疲劳损伤失效机制。
　　单向拉伸和单向压缩研究结果表明，挤压态和时效态GW83合金的拉伸和压缩应力应变曲线几乎对称，从弹性阶段到塑性阶段过渡平滑。时效态合金单向拉伸和压缩强度分别远高于挤压态合金的强度。
　　低周疲劳寿命研究结果表明，挤压态GW83合金R=0,-1,-∞疲劳的ε-N曲线均存在明显的拐点，拐点应变幅值分别为0.80％，0.75%和0.55%，对应的疲劳寿命分别为400周，1521周和7560周。在相同的应变幅值下，应变比越小，疲劳寿命越高。与常规强织构AZ31B和ZK60等镁合金相比，弱织构GW83合金激活孪生变形的应变幅值更大。当应变幅值低于拐点应变幅值时，无孪生参与塑性变形，表现出完全对称的稳态应力-应变滞回曲线；当应变幅值高于拐点应变幅值时，少量体积分数的孪生参与塑性变形，表现出几乎对称的稳态应力-应变滞回曲线。时效态合金拉压疲劳的ε-N曲线存在两个明显的拐点，其拐点应变幅值分别为0.49%和0.80%，对应的疲劳寿命分别为19500周和1020周。当应变幅值小于0.49%时，未发生塑性变形，表现出完全对称的稳态应力-应变滞回曲线；当应变幅值介于0.49%和0.80%时，无孪生参与塑性变形，也表现出完全对称的稳态应力-应变滞回曲线；当应变幅值大于0.80%时，少量体积分数的孪生参与塑性变形，表现出几乎对称的稳态应力-应变滞回曲线。当应变幅值小于0.80%时，时效态的疲劳寿命大于挤压态的疲劳寿命，但是当应变幅值大于0.80%时，时效态的疲劳寿命小于挤压态的疲劳寿命。挤压态和时效态镁合金低周疲劳寿命与应变幅值关系均满足 Coffin-Manson(C-M)方程。挤压态 GW83镁合金剪切疲劳的ε-N曲线存在两个明显的拐点，其拐点值为0.64%和1.0%，对应的疲劳寿命为20400周和2275周。在应变幅值0.40%～2.4%范围，有孪生参与塑性变形，且稳态剪切应力-剪切应变滞回曲线完全对称；当应变幅值小于0.64%时，断裂方式为剪切断裂；当应变幅值大于1.0%时，断裂方式为拉伸断裂；当应变幅值介于0.64%～1.0%时，断裂方式为拉伸和剪切的混合断裂。与传统挤压镁合金相比，挤压态GW83合金表现出更高的剪切疲劳寿命。
　　挤压态和时效态GW83合金的拉压循环塑性变形行为研究结果表明，当应变幅值低于拐点应变幅值，滑移为主要变形机制；当应变幅值大于拐点应变幅值，滑移和孪生为主要变形机制；出现了显著的孪生-去孪行为。随着循环周次的增加，一周次内新生的孪晶分数逐次增加，挤压态和时效态合金的循环应力-应变滞回曲线的形状从凸形逐渐演化成凹形。由于下半支和上半支均先发生去孪然后发生孪生，弱织构的GW83合金循环变形表现出几乎对称的应力-应变滞回曲线。在单向拉伸和单向压缩中，时效态GW83合金的孪晶分数大于挤压态的孪晶分数。在循环变形中，挤压态合金残余孪晶分数随循环周次增加而增加；而时效态残余孪晶分数变化不明显。
　　挤压态和时效态GW83合金的疲劳损伤行为研究结果表明，当应变幅值为0.5%时(小于拐点应变幅值)，微裂纹主要萌生于驻留滑移带和晶界，然后沿驻留滑移带缓慢扩展；临近疲劳失效时基体中存在大量的微裂纹，而无明显主裂纹；疲劳裂纹萌生阶段循环应力-应变曲线形状不改变，其寿命约占总疲劳寿命的90%；析出相明显阻碍位错滑移和抑制驻留滑移带裂纹形成，有利于提高疲劳裂纹萌生寿命。当应变幅值为1.2%时(大于拐点应变幅值)，微裂纹主要萌生于晶界，疲劳裂纹萌生寿命占总疲劳寿命的50%；后半疲劳寿命阶段微裂纹沿晶界迅速长大，合并其它小裂纹形成主裂纹；未发现表面孪晶引致的表面裂纹。
　　挤压态和时效态GW83合金的疲劳裂纹扩展行为结果表明，沿挤压方向加载，裂纹扩展偏离预制裂纹方向，偏转角约20°；沿挤压径向加载，裂纹扩展方向与预制裂纹方向几乎平行。循环载荷下预制裂纹的扩展方式以穿晶为主。加载比越大，应力强度因子范围门槛值越小，扩展速率越快。时效析出相减小微裂纹偏折幅度而增加裂纹的扩展速率，导致疲劳裂纹扩展寿命减小。沿不同方向加载，弱织构挤压态合金的裂纹扩展速率一致，而时效态合金裂纹扩展速率差异明显。