M B8镁合金高周疲劳实验研究

杨 友

(1长春工业大学材料科学与工程学院,长春130012;2长春工业大学先进结构材料省部共建教育部重点实验室,长春130012) YANG You1,2

M B8镁合金高周疲劳实验研究

杨 友1,2

(1长春工业大学材料科学与工程学院,长春130012;2长春工业大学先进结构材料省部共建教育部重点实验室,长春130012) YANG You1,2

采用升降法对MB8镁合金室温高周疲劳行为进行实验研究。结果表明:利用升降法计算出MB8镁合金在应力比R=0.1,循环基数为107条件下的疲劳强度为90.2MPa,相当于其抗拉强度的34%左右;合金的疲劳裂纹萌生于试样表面,裂纹扩展区由小的平面状断面组成,没有明显的疲劳辉纹存在,合金疲劳断口呈现韧性断裂特征。

MB8镁合金;高周疲劳;升降法;疲劳强度

镁合金质量轻、比强度高、减震性好,是理想的环保、节能材料,近年来在汽车、航空、电子等领域得到了广泛应用[1-3]。目前工业上应用的镁合金大部分是铸造镁合金,而变形镁合金经过挤压、轧制和锻造等工艺后具有比相同成分的铸造镁合金更高的力学性能。用变形镁合金制成的薄板、棒材、管材和型材具有更低成本、更高强度和延展性以及多样化的力学性能优点,因此具有更加广阔的应用前景[4,5]。变形镁合金作为一种航空用结构材料,疲劳失效亦是其主要破坏形式之一。由于材料成分、制备和成型工艺对镁合金材料的力学性能综合影响很大,加之密排六方基底的镁合金材料形变机制比较复杂,因此,目前虽然存在一些关于镁合金疲劳试验的文献,但由于疲劳试验的复杂性,其中大多是有关高应力应变控制下低周疲劳寿命的研究,对低应力控制下高周疲劳寿命的研究则不多[6-8]。因此,本工作着重研究MB8镁合金在应力比R=0.1,循环基数为107条件下的高周疲劳性能,为进一步扩大MB8镁合金在航空上的应用提供依据。

1 实验材料和实验方法

实验材料为MB8镁合金,化学成分(质量分数/%):1.3～2.2 M n,0.3 Zn,0.2 A l,0.1～0.35 Ce,0.05 Cu,0.07 Ni,余量为M g。拉伸试验采用单肩圆柱形拉伸试样,试样尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 The geometry and dimension of tensile specimens

拉伸试验在M TS2810电液伺服试验机上进行,拉伸速度为0.5mm/min,采用5根试样进行拉伸试验,材料的拉伸性能取5根试样的平均值。MB8镁合金室温拉伸性能:σb=262M Pa,σ0.2=168M Pa,δ= 2516%。

将MB8板材加工成标距长度为20mm,标距直径为6mm,总长度为90mm的轴向光滑高频疲劳试样。实验前沿试样的轴向用粒度为1200的SiC砂纸细磨,以排除试样表面加工缺陷的干扰。试样尺寸如图2所示。实验在PLG220C高频疲劳试验机上进行,采用轴向拉2拉加载方式控制载荷,总应力比R=0.1,加载波形为正弦波,频率为90Hz。在室温静态空气介质环境中测定不同载荷条件下的疲劳寿命N。绘制合金的S2N曲线,采用升降法计算合金在循环基数为107时的疲劳强度;采用JSM 25600LV型扫描电子显微镜对高周疲劳后的样品进行疲劳断口分析。

图2 高周疲劳试样尺寸Fig.2 The geometry and dimensions of high cycle fatigue specimens

2 结果与分析

2.1 疲劳强度计算

采用升降法进行MB8镁合金疲劳强度的测试及计算[9]。疲劳试验前根据拉伸性能测试结果估算出合金疲劳强度值,然后根据疲劳强度确定出应力增量。根据文献[10],对于镁合金材料,估算疲劳强度值σr= 0.35σb,应力增量Δσ=4.5%σr,实验在4～5级应力水平下进行。根据升降法原理,MB8镁合金的高周疲劳试验从高于估算疲劳强度的应力水平开始,在应力水平σ0下实验第一根试样,该试样在达到指定寿命N= 107次循环没有发生断裂(越出),于是,第二根试样就在高一级的应力水平σ1下进行实验,因该试样在应力水平σ1下经107次循环发生破坏,故依次实验第三根试样时就在低一级的应力水平σ0下进行。按照这个规定,凡前一根试样不到107次循环就破坏的,则随后的一次实验就要在低一级的应力水平下进行;凡前一根试样越出,则随后的一次实验就要在高一级的应力水平下进行,直到完成全部实验为止。在整个实验过程中,应力增量保持不变,图3为MB8镁合金疲劳试验载荷升降示意图。

图3 MB8镁合金疲劳试验载荷升降图Fig.3 Sketch of fatigue load up2and2dow n fo r MB8 magnesium alloy

利用升降法计算疲劳强度时,第一次出现相反结果的数据点1和2对应的应力平均值,就是利用常规疲劳试验法得出的疲劳强度值。把所有邻近出现相反结果的数据点都配成对:1和2,4和5,7和8,9和10, 12和13,14和15。最后,对于不能直接配对的数据点11和16,也可以凑成一对。总计共有7对,由这7对应力求得的7个疲劳强度取平均值,即可作为MB8镁合金在R=0.1,循环基数N=107下疲劳强度的精确值σ0.1(见公式(1))。

2.2 S2N曲线

图4为MB8镁合金室温高周疲劳后绘制的S2N曲线。可以看出,MB8镁合金的S2N曲线和结构钢不同,它没有水平段,所有的试样都在中长寿命区(105～107)发生断裂或越出,疲劳强度计算结果为9012M Pa。

图4 MB8镁合金S2N曲线Fig.4 S2N curve of MB8 magnesium alloy

2.3 疲劳断口分析

图5为MB8镁合金疲劳断口微观形貌。可以观察到,其疲劳断口是典型的轴向载荷高周疲劳断口,没有明显的塑性变形,呈脆性断裂。MB8镁合金的疲劳裂纹萌生于试样表面加工过程中产生的缺陷处。这些表面缺陷能对材料起到尖缺口的作用,促使应力集中,容易产生不均匀的局部滑移和显微开裂,而加速疲劳裂纹的萌生。疲劳裂纹萌生后,沿与最大正应力方向相垂直的方向向合金内部扩展,当疲劳裂纹扩展到临界尺寸后,试样断裂。从断口形貌上看,疲劳源和扩展区是一个光滑、细洁的扇形区域,疲劳源大致位于“扇”柄处的缺陷位置。断口上比较平坦并具有放射状条纹的区域是疲劳裂纹扩展区。由于本次实验是高周疲劳性能测试,其工作应力不大,疲劳裂纹扩展也就比较充分,所以其疲劳裂纹扩展区比较大。

图5 MB8镁合金疲劳断裂表面形貌 (a)裂纹萌生区;(b)裂纹扩展区;(c)失稳断裂区Fig.5 Fatigue fracture surfacemorphologies of MB8 magnesium alloy(a)crack initiation region;(b)crack p ropagation region;(c)collapse fracture region

MB8镁合金疲劳裂纹扩展区的微观形貌为平面状断面(见图5(b))。在MB8镁合金中,疲劳裂纹严格地沿晶粒内{0001}滑移面扩展,因而形成了非常平坦光滑的断面,当其与晶界相遇时,位向会稍有改变。断面上没有发现明显的疲劳辉纹存在。MB8镁合金失稳断裂区由大量的韧窝组成(见图5(c)),由于合金抵抗塑性变形能力较强,其断口表现为韧性断裂特征。

3 结论

(1)采用升降法疲劳试验获得了MB8镁合金在应力比R=0.1,循环基数为107下的条件疲劳强度为9012M Pa,约为其抗拉强度的34%。

(2)MB8镁合金疲劳裂纹萌生于试样表面,裂纹扩展区由小的平面状断面组成,合金疲劳断口呈现韧性断裂特征。

[1] 张丁非,彭建.镁及镁合金的资源、应用及其发展现状[J].材料导报,2004,(4):72-76.

[2] 訾邴涛,王辉.镁合金及其在工业中的应用[J].稀有金属, 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] 陈振华.变形镁合金[M].北京:化学工业出版社,2004.

[5] 余昆,黎文献,王日初,等.变形镁合金的研究、开发及应用[J].中国有色金属学报,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] 徐灏.疲劳强度[M].北京:高等教育出版社,1987.

[10] 邓增杰,周敬恩.工程材料的断裂与疲劳[M].北京:机械工业出版社,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

吉林省科技厅应用基础研究资助项目(20090544)

2009210218;

2010207214

杨友(1972—),男,博士,教授,主要从事汽车材料及金属材料表面改性研究,联系地址:长春工业大学材料科学与工程学院(130012),E2mail:yangyou_0825@163.com在室温下,MB8镁合金的高周疲劳强度与抗拉强度的比值(疲劳比)约为0.34,较一般金属和合金中所观察到的疲劳比比值(0.4～0.5)[10]稍低。