镁合金AZ21在复杂载荷和腐蚀环境下的疲劳性能研究

摘要

镁合金因其密排六方(hcp)结构，不同加载方向下的力学性能与疲劳性能的差异很大。实际应用中，镁合金作为结构件承受多轴复杂载荷，其失效形式多为多轴疲劳失效。此外，腐蚀环境会极大影响镁合金的疲劳性能，降低其服役寿命。本文拟在应力控制条件下对镁合金开展多轴疲劳性能研究，揭示加载路径和腐蚀环境对材料力学性能与疲劳性能的影响。在此基础上，选取适宜的多轴疲劳寿命判据对材料在复杂载荷和腐蚀环境下的寿命进行合理预测。本文所得镁合金的多轴腐蚀疲劳寿命曲线对镁合金的实际应用具有重要的参考与指导意义。
　　本文对镁合金AZ21在空气中和PBS腐蚀环境中分别进行了单轴拉压、纯扭转及多轴路径下的循环力学性能研究，主要有以下发现：1)不同加载路径下的变形主导机制有所不同：单轴拉压路径下，压缩方向发生“拉伸孪生”导致材料的屈服强度在压缩方向远小于拉伸方向；纯扭转路径下，AZ21的剪切应力应变滞环仍保持对称，说明滑移是剪切非弹性变形的主导机制；在多轴非比例加载路径下，加载过程中应力主轴始终旋转，导致孪生-退孪生成为影响变形的主要机制；2)在多轴比例与非比例载荷路径下，AZ21发生显著的循环强化效应，循环应变幅在循环加载初期急剧下降，而在后续循环中达到稳定，且稳定循环应变幅的大小与加载路径关系不大；3）多轴加载路径下的疲劳寿命远低于单轴拉压路径和纯扭转路径的结果；相同等效应力幅下，圆路径的应力应变滞环面积最大，对应的能量耗散最大，导致圆路径疲劳寿命最短；4）在腐蚀环境下，AZ21的应力应变滞环面积大于空气中的滞环面积，导致材料的腐蚀疲劳损伤速率远大于空气中的损伤速率，寿命也远低于空气中的结果。
　　本文利用Basquin公式和Findley-Park-Nelson(FPN)公式对不同环境和不同路径下的疲劳寿命进行了预测，Basquin公式对AZ21镁合金在复杂载荷和腐蚀条件下的疲劳寿命预测结果整体上比 FPN公式的预测结果更接近试验结果，但是二者均不能够有效区分载荷幅值相同时不同路径对疲劳寿命的影响；将路径非比例度的概念引入Basquin公式后，可对圆形路径和菱形路径下的疲劳寿命进行较为合理的预测。

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第1章 绪论

1.1 镁合金概述

1.2 镁合金的变形机制

1.3 镁合金的疲劳性能

1.4 本文研究内容及意义

第2章 试验材料及测试装置

2.1 试验材料

2.2 测试装置

2.3 腐蚀环境

第3章 复杂载荷下AZ21镁合金的疲劳性能

3.1 应力空间定义

3.2 单轴加载下AZ21的力学性能

3.3 循环载荷作用下镁合金的疲劳性能

3.4 本章小结

第4章 腐蚀环境下AZ21镁合金的循环性能研究

4.1 腐蚀环境下AZ21的轴向循环力学性能

4.2 腐蚀环境下AZ21的纯扭循环性能

4.3 腐蚀环境下镁合金AZ21的多轴循环性能

4.5 本章小结

第5章 复杂载荷和腐蚀环境下AZ21镁合金疲劳寿命预测

5.1 应力法多轴疲劳寿命模型

5.2 Basquin公式寿命预测

5.3 FPN公式寿命预测

5.4 改进Basquin公式寿命预测

5.5 本章小结

第6章结论与展望

参考文献

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