AZ91D 应变状态下低周疲劳行为的研究①

丰崇友， 张征宇， 李莉平， 白洪金

(嘉兴职业技术学院机电与汽车分院，浙江嘉兴314036)

0 引言

镁合金被誉为2l世纪“绿色结构材料”，在汽车工业、通讯电子和航空航天等领域得到日益广泛的应用[1－3]．AZ91D 是压铸镁合金中强度最高，耐腐蚀性最好的材料，是汽车构件中应用最多的一种镁合金．随着人们对汽车结构材料的要求进一步提高，汽车的某些结构件会承受疲劳载荷．低周疲劳是汽车结构件发生损坏的主要形式之一，镁合金的疲劳性能也成为许多学者的重点研究课题．目前的研究主要集中在微量元素对组织的常规力学性能的影响方面．各国学者针对于镁合金材料在低应力下的高周疲劳性能进行了大量研究[4－6]．本文研究了镁合金AZ91D材料在常温下不同应变条件下的低周疲劳性能，旨在为进一步扩大压铸镁合金应用范围提供一定的基础试验依据．

1 试验材料与方法

试验材料为压铸镁合金AZ91D，其基本成分(质量分数，%)为:9．2Al，0．72Zn，0．21Mn，0．02 Si，0．005Fe，0．002Cu，0．001Ni，余量 Mg．材料在室温下的基本力学性能指标见表1．低周疲劳试样采用标距直径 10mm，标距长度 15mm，总长度110mm的圆柱形光滑试样．疲劳试样如图1所示．

表1 材料的力学性能

图1 试样的形状及尺寸

图2 静拉伸、单轴拉－压循环载荷应力－应变曲线

在MTS－810电液伺服动态试验机上进行了应变控制单轴拉－压低周疲劳加载试验，试验温度为室温，试验介质为空气，试验采用三角形波加载，循环特性R=－1，循环频率为0．5Hz，疲劳试样加载的应变幅值分别为 0．6%，0．8%，1．0%，1．2% ．

疲劳失效判据为各应变水平下的疲劳断裂寿命，按该应变水平下的最大载荷衰减到它的75%时的循环数．每个数据点测定3～5个合格试样，然后取平均值，确定其应变载荷下的疲劳寿命．试验加载控制参数及试验结果如表2所示．

图3 应变幅值－疲劳寿命曲线

表2 试验参数、疲劳寿命试验值与预测值的对比

3 结果与讨论

AZ91D镁合金静态拉伸、低周循环载荷下在总应变控制的疲劳变形应力－应变曲线如图2所示，应变－疲劳寿命曲线如图3所示．(1)在0．3% ～1．5% 的外加总应变幅下，其宏观力学行为表现出对应变幅值一定的依赖性:当循环应变幅值小于0．4%，AZ91D镁合金在低周载荷的作用下，材料表现出循环软化现象;随着循环应变幅值的增加，当总应变幅为0．5%，0．6%，0．8%，1．0%，1．2%，1．5%，2．0%时，材料表现出明显的循环硬化现象．当应变幅值大于1．0%，曲线的斜率基本不变，即循环硬化的变化率基本相同，硬化变化率并没有随着应变幅值的增加而增加;(2)当应变幅值大于0．4%，低周疲劳载荷的应力－应变曲线高于拉伸状态下的应力－应变曲线，分析可知，该材料在应变幅值为0．4%时，材料由循环软化开始向循环强化转变，并随应变幅值的增加附加硬化程度明显增大．如图2，应变幅值的大小对材料疲劳寿命有较大影响:材料在较低的应变幅值下，低周疲劳寿命变化不大，当循环应变幅值大于0．4%，随着应变幅值增大，材料的低周疲劳寿命明显降低．

许多学者在研究其它不同材料的疲劳损伤过程中，发现不同的材料分别表现出循环软化和循环硬化现象，疲劳寿命和试验加载方式、材料的性质密切相关．K40S钴基高温合金在高温疲劳过程中产生循环强化，高应变幅值下产生的循环强化使材料的强度升高，却使疲劳裂纹扩展的门槛值降低，致使疲劳寿命降低[7]．45#钢非比例循环的应力响应远高于比例及单轴循环的应力响应，非比例加载疲劳寿命低于相同等效应变幅值的比例及单轴加载疲劳寿命;且相位角越大，疲劳寿命越短[8]．SUS304不锈钢在疲劳过程中产生的硬化，既有材料基体奥氏体的应变硬化又有应变诱发马氏体引起的硬化[9]．Zr－4合金双轴比例和非比例循环变形过程中，首先表现为循环硬化，随后逐渐软化特征;表现为非比例附加强化;非比例加载下合金的疲劳寿命低于相同等效应变幅下的比例加载;非比例附加强化程度越高，双轴疲劳寿命越低[10]．钛合金BT9比例、非比例载荷下呈现低位错密度的块状多滑移位错结构，循环附加强化效果不明显，但疲劳寿命却明显降低[11]．挤压态AZ91镁合金当应变幅值为0．4% 时，合金表现为初始循环软化，后期呈现循环稳定;当应变幅值为0．5%时，合金初期呈现循环软化，而在后期则表现为循环硬化[12]．

可见，材料在应变控制低周循环载荷作用下，循环软化和循环硬化现象都一直存在于材料的低周疲劳变形损伤过程中，材料在不同循环阶段所表现的宏观力学行为即应力－应变响应不仅和材料本身的性质有关，还和应变幅值、应变速率、波形等参数密切相关．不论表现出哪种应力－应变响应，都会致使疲劳损伤加剧，寿命降低．

运用单轴低周疲劳著名的Coffin－Manson公式对疲劳寿命进行预测:

采用Coffin－Manson公式进行的寿命预测，系数分别取c=23．92，m=－0．4346，寿命预测结果见表2，在高应变幅值下有较好的一致性，在低应变幅值预测寿命与实验数据结果有一定的偏差．

4 结论

AZ91D镁合金在低周循环载荷下，当循环应变幅值小于0．4%，材料表现出循环软化现象．随着循环应变幅值的增加，材料表现出明显的循环硬化现象;且随着应变幅值的增加AZ91D镁合金的附加强化程度增大;当总应变幅值大于1．0%，曲线的斜率基本不变，即循环应变硬化率大致相同．应变幅值对材料低周疲劳寿命有较大影响，随着应变幅值的增加，疲劳寿命明显降低．运用Coffin－Manson公式对材料进行寿命预测，在较高应变幅值下预测寿命与试验结果有较好的一致性，在低应变幅值预测寿命与实验数据误差较大．

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