ZK60和GW103K镁合金高周疲劳行为及其喷丸强化研究

摘要

镁合金运动类零部件减重效应大，在交变载荷作用下容易以疲劳方式失效，研究清楚镁合金的疲劳失效行为和提升其疲劳性能意义重大。本文选取商业牌号高强变形镁合金ZK60和新型高强镁稀土合金GW103K为研究对象，首先研究不同状态、不同类型试样的高周疲劳性能和疲劳断裂行为；其次开发适合镁合金喷丸强化的表面处理关键设备；然后表征喷丸处理后合金表面形变层组织、结构和性能特征；再研究喷丸处理合金的高周疲劳性能和疲劳断裂行为；最后尝试解释喷丸强化镁合金机理。
　　ZK60和GW103K镁合金不同状态、不同类型试样的高周疲劳性能研究结果表明，挤压态高于铸态，时效态高于挤压态，而固溶态低于挤压态。挤压态和挤压+时效态ZK60合金光滑试样的107次疲劳强度分别为140和150MPa；挤压态ZK60合金Kt=2.3和2.7缺口试样疲劳强度Kt.-1分别为150和160MPa；挤压+时效态ZK60合金Kt=2.3和2.7缺口试样疲劳强度Kt.?-1分别为155和165MPa；而铸态（85MPa）、铸态+T6态（105MPa）、挤压+T4态（110MPa）、挤压+T6态（110MPa）、挤压态（150MPa）、挤压+过时效态（160MPa）、挤压+欠时效态（160MPa）、挤压+峰时效态（165MPa）GW103K合金光滑试样依次具有更高的疲劳强度。同等状态下，GW103K合金的疲劳强度高于ZK60合金。
　　裂纹复型和疲劳断裂行为研究结果表明，挤压态和挤压+时效态ZK60镁合金光滑试样的疲劳裂纹萌生于试样表面，且只有一个疲劳裂纹源，裂纹从萌生源向试样横截面的对面呈扇形扩展，裂纹萌生寿命远大于扩展寿命；而缺口试样的疲劳裂纹萌生于缺口根部，且有多个裂纹源，裂纹由四周向中心扩展，裂纹萌生寿命远小于扩展寿命。
　　不同状态GW103K镁合金具有不同的疲劳裂纹萌生、扩展和断裂行为。铸态、铸态+T6态、挤压+T4态和挤压+T6态合金的疲劳裂纹主要萌生于亚表面的气孔或氧化物等缺陷处，疲劳强度由非扩展裂纹决定；挤压态和时效态合金的疲劳裂纹主要萌生于表面挤压条带组织中的粗大晶粒区域，疲劳强度由疲劳裂纹萌生决定；铸态和挤压+T4态合金的疲劳断裂方式以穿晶扩展为主；铸态+T6态和挤压+T6态合金以沿晶扩展为主；挤压态和时效态合金为沿晶和穿晶混合扩展模式。
　　喷丸处理后ZK60和GW103K镁合金表面变形层微观组织的研究结果表明，随喷丸强度增加，各状态合金的表面变形层深度、微观组织细化程度、显微硬度、残余压应力和表面粗糙度均增加。挤压织构显著弱化。喷丸强度为0.10mmN时，挤压态ZK60和GW103K合金部分晶粒尺寸达到150nm，表面粗糙度Ra约为1?m，变形层显微硬度增幅分别为40和45HV0.05，最大残余压应力分别约为75和120MPa。GW103K合金变形层显微硬度增幅以及最大残余压应力均高于ZK60合金，且疲劳过程中残余压应力松弛幅度更小。
　　喷丸处理ZK60和GW103K镁合金的疲劳寿命表现出很大的喷丸强度敏感性和过喷效应，高周疲劳寿命随喷丸强度增加先增大，达到一个峰值，然后急剧降低。挤压态和挤压+时效态 ZK60合金光滑试样的合适喷丸强度范围为0.02~0.15mmN，缺口试样的合适喷丸强度范围为0.20~0.50mmN；挤压态和挤压+时效态GW103K合金的合适喷丸强度范围为0.05~0.30mmN。
　　挤压态和挤压+时效态ZK60镁合金光滑试样在最佳喷丸强度0.05mmN条件下，疲劳强度分别提高到180和195MPa，缺口试样分别在最佳喷丸强度0.30和0.40mmN条件下，疲劳强度分别提高到220和240MPa；铸态（0.40mmN）、铸态+T6态（0.50mmN）、挤压态（0.10mmN）、挤压+欠时效态（0.10mmN）、挤压+峰时效态（0.10mmN）、挤压+过时效态（0.10mmN）、挤压+T4态（0.30mmN）和挤压+T6态（0.40mmN）GW103K镁合金光滑试样在各自最佳喷丸强度条件下，疲劳强度分别提高到115、125、215、230、240、205、140和140MPa。时效状态合金喷丸强化效果优于非时效状态合金，缺口试样优于光滑试样，GW103K合金优于ZK60合金。
　　喷丸后 ZK60和GW103K镁合金疲劳断裂行为分析表明，挤压态和挤压+时效态ZK60合金光滑试样的疲劳裂纹萌生源先由表面转移到亚表面，而后又回到表面，裂纹源数量由未喷丸和较小喷丸强度时的单个变为高喷丸强度时的多个；而缺口试样的疲劳裂纹仍萌生于缺口根部，裂纹源数量仍为多个。铸态、铸态+T6态、挤压+T4态和挤压+T6态GW103K合金疲劳裂纹的萌生位置以及扩展行为与喷丸前无明显变化，而挤压态和挤压+时效态合金的裂纹萌生位置则由表面转移到亚表面，挤压态 GW103K合金疲劳裂纹主要沿解理面扩展，挤压+时效态合金以剪切韧窝合并方式扩展。所有状态GW103K合金的疲劳裂纹萌生源数量仅为一个，不随喷丸强度变化。
　　喷丸处理ZK60和GW103K镁合金疲劳性能分析结果表明，喷丸引起合金变形层组织细化、残余压应力和显微硬度的增加有利于提高其高周疲劳性能，而表面粗糙度的增加不利于提高高周疲劳性能。喷丸强度过大时，表面粗糙和微裂纹会降低组织细化、残余压应力和显微硬度的强化效果。
　　ZK60和GW103K镁合金的拉压疲劳微观变形行为和喷丸强化机理分析表明，拉压疲劳循环过程中，挤压态和挤压+时效态ZK60合金在压缩过程中以孪生变形为主，拉伸过程以去孪或孪生回复为主，存在显著的拉压不对称性和孪生–去孪现象；而挤压态和挤压+时效态 GW103K合金在压缩和拉伸过程中均以位错滑移为主，无明显拉压不对称性和孪生–去孪现象。喷丸处理过程中，挤压态和挤压+时效态ZK60合金以位错滑移和孪生为主，而挤压态和挤压+时效态 GW103K合金以位错滑移为主。喷丸处理形成的孪晶在随后疲劳循环过程中的去孪会引起残余压应力松弛，同时较高密度的孪晶增加了疲劳裂纹的潜在萌生源，降低喷丸强化效果。

目录

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目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 金属材料的疲劳与断裂

1.3 镁合金疲劳性能研究现状

1.4 镁合金表面形变强化研究现状

1.5 Mg–Gd–Y系镁合金研究现状

1.6 研究目的和研究内容

参考文献

第二章 实验过程及研究方法

2.1 研究路线

2.2 材料制备

2.3 关键实验设备的设计加工

2.4 喷丸实验

2.5 疲劳性能研究

2.6 组织性能分析

2.7 本章小结

参考文献

第三章 ZK60和GW103K镁合金高周疲劳性能

3.1 引言

3.2 ZK60镁合金微观组织、物相和织构

3.3 GW103K镁合金微观组织、物相和织构

3.4 ZK60镁合金室温拉伸性能

3.5 GW103K镁合金室温拉伸性能

3.6 ZK60镁合金光滑和缺口试样高周疲劳性能

3.7 GW103K镁合金光滑试样高周疲劳性能

3.8 本章小结

参考文献

第四章 ZK60和GW103K镁合金疲劳断裂行为

4.1 引言

4.2 ZK60镁合金疲劳断裂行为

4.3 GW103K镁合金疲劳断裂行为

4.4 镁合金疲劳性能时效强化机制探讨

4.5 本章小结

参考文献

第五章 喷丸处理ZK60和GW103K镁合金变形层特征和高周疲劳性能

5.1 引言

5.2 喷丸处理ZK60镁合金表面微观组织

5.3 喷丸处理GW103K镁合金表面微观组织

5.4 喷丸处理ZK60镁合金高周疲劳性能

5.5 喷丸处理GW103K镁合金高周疲劳性能

5.6 本章小结

参考文献

第六章 喷丸处理ZK60和GW103K镁合金疲劳断裂行为及机理

6.1 引言

6.2 喷丸处理ZK60镁合金疲劳断裂行为

6.3 喷丸处理GW103K镁合金疲劳断裂行为及机制

6.4 喷丸处理ZK60和GW103K镁合金晶粒细化机制

6.5 喷丸处理ZK60和GW103K镁合金抗疲劳机理

6.6 本章小结

参考文献

第七章 结论

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

声明

上海交通大学博士学位答辩决议书