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1、-范文最新推荐- 固溶AZ80棒材低周疲劳性能研究 摘要AZ80镁合金是一种应用广泛的新型镁合金，但对其疲劳行为研究甚少，严重阻碍了其安全应用。本实验对固溶AZ80镁合金采用应变控制模式研究其低周疲劳性能，采用光学显微镜及扫描电子显微镜表征其组织形貌。研究发现：固溶态镁合金存在着显著的拉压不对称性，导致了疲劳滞后回线的不对称，且不对称性随应变幅的升高而增加；由于残余孪晶的存在，在疲劳过程中表现出循环硬化行为；塑性应变幅随着循环周次的增加而降低；疲劳裂纹萌生于材料表面。该实验对镁合金疲劳机理及安全应用具有一定的参考价值。10237关键词：镁合金，固溶，低周疲劳，拉压不对称毕业设计说明书（论文）外
2、文摘要Title：Properties about low cycle Fatigue of Solution AZ80 barAbstract：AZ80 magnesium alloy is a new magnesium alloy that is widely used.However, the research of fatigue behavior is rare and seriously hampered the security applications.The experiments on the solution AZ80 magnesium alloy were in s
3、train control mode to study its low cycle fatigue properties.And use optical microscopy and scanning electron microscopy to characterize the morphology.The study found that:there is significant tension and compression asymmetry phenomenon about solid solution magnesium alloys, which leads to fatigue
4、 hysteresis loop asymmetry, and the asymmetry increases with the increase of strain amplitude.The existence of residual twins leaded to cyclic hardening behavior in the fatigue process.Plastic strain amplitude decreases with the increase of cycle times.Fatigue crack initiates in the surface.The expe
5、riment provides a certain reference value to the fatigue mechanism of magnesium alloy and security applications.Keywords:Magnesium Alloy,Solution,Low cycle fatigue, Asymmetry of Tension and Compression. (J/kg•)弹性模量(Gpa)1.7465126.1 145101.744.6纯镁的切削性能良好，但机械性能低，不能做结构材料使用。在工业上，纯镁除了少部分用于化学、仪表制造及军事工
6、业外，主要用于制造镁合金及生产铝镁系合金的合金元素。据统计，世界上的纯镁约有28%用于制造镁合金，45%用于制造铝合金，其余用作生产某些合金的还原剂、脱氧剂及变质剂等2。镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料。常规镁合金比铝合金轻30%50%,比钢铁轻70%以上，在工程应用中可大大减轻构件质量。同时，镁合金具有高的比强度和比刚度，尺寸稳定性高，阻尼减震性能好，机械加工方便，且易于回收利用，被认为是一种有效减轻质量、节约能源、环境友好、有利于可持续发展的理想材料。镁的这些优点使其被誉为“世纪绿色工程金属结构材料3。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点4，在电子、汽车、航空等
7、领域具有广阔的应用前景。1.2 镁合金的牌号及分类1.2.1 镁合金成分与牌号的标记方法纯镁：Mg+数字（纯度的百分比）镁合金：英文字母（两个）+数字（两个）+英文字母 英文字母：第一个字母，含量最大的合金元素；第二个字母，含量为第二的合金元素；数字：表示两个主要合金元素的含量。第一个数字，第一个字母的重量百分比； 第二个数字，第二字母的重量百分比。表1.2为镁合金牌号中的元素代码。代号英文名称中文名称代号英文名称中文名称代号英文名称中文名称 与铸造工艺生产的铸造镁合金相比，变形镁合金更具有发展前景和潜力。通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过合金组织的控制和热处理
8、工艺的应用，获得比铸造镁合金更高的强度、更好的延展性以及更多样化的力学性能，满足更多结构件的需要。常见的变形镁合金主要包括Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-Th、Mg-Li等。变形镁合金有两个重要特点对产品的最终性能有很大的影响：一是镁合金的密排六方结构，使变形时的择优取向对弹性模量影响不大；二是镁合金的压缩屈服强度低于其拉伸屈服强度，即存在拉压不对称性。1.3镁合金的塑性变形机制1.3.1滑移机制多晶镁合金在外力作用下发生塑性变形时，会沿滑移面发生滑移，滑移的本质是位错的运动8。晶体开始滑移必须有一定大小的临界切应力。镁在不同滑移面上的临界切应力大小与温度有密切关系。在室温下，产生基
9、面滑移的临界切应力要比棱柱滑移面的临界切应力低一个数量级，因此温室时只有基面滑移产生。而在较高的温度(493K)下，棱柱滑移面的临界切应力下降，棱柱滑移开始产生。镁的密排六方晶体结构使位错运动速率对应力敏感，在应力有稍许提高时， 位错运动的速率会大幅度增加，同时，在形变过程中位错密度也随应变增加而增殖。位错的运动和增殖会使位错在变形过程中很快互相缠结、钉扎以及受晶界的阻碍而终止运动。如果镁合金的变形是在高温下进行，当滑移受阻时，位错可以通过交滑移运动，所以在较高温度下镁晶体通过滑移进行塑性变形比较容易。1.3.2 孪生机制除滑移外，镁合金塑性变形的另一种方式就是孪生9。孪生和滑移一样，也产生晶
10、体的切变。滑移时，相对位移集中出现在少数原子密排面上，相对位移量可以比原子间距大好多倍，滑移的位移决定于位错源所发出的位错数。但孪生形变时，切变均匀分布在孪生区域内的每一个原子面上，其中每一对相邻原子面的相对位移量都是相等的。与滑移类似，孪生的切变也是沿着特定的晶面和特定的晶体方向发生，镁的孪生面为101(—)2，孪生方向为<1(—)011>。 (2)低周疲劳时，塑性变形量较大，不再使用σ—N曲线，而用εp—N曲线描述材料的疲劳抗力。这是由于低周疲劳时，试样表面应力达到屈服强度，故在σ&mdas
11、h;N曲线运动上有一段较为平坦。这时应力水平只要有少量改变就对疲劳寿命影响很大，采用σ—N曲线时数据分散，难以描述实际寿命变化。(3)低周疲劳破坏存在几个裂纹源。由于应力水平较高，裂纹形核期较短，只占总寿命的10%，裂纹扩展速率较大，低周疲劳显微断口的疲劳带较粗，间距也宽一些，并常常不连续。(4)低周疲劳寿命取决于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。）循环硬化与循环软化金属承受恒定应变范围循环加载时，循环开始时的应力应变滞后回线是不封闭的，只有经过一定周次后才形成封闭滞后回线。金属材料由循环开始状态变成稳定
12、状态的过程，与其在循环应变作用下的形变抗力有关。这种变化有两种情况，即循环硬化和循环软化10-12。若金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力(形变抗力)不断增加，或是在等应力控制下，应变随循环次数的增加而减小，即为循环硬化，如图1.1(a)(b)；若在循环过程中，应力逐渐减小，或是应变逐渐增加，则为循环软化,如图1.1(c)(d)19。无论是产生循环硬化的材料，还是产生循环软化的材料，它们的应力-应变滞后回线只有在应力循环周次达到一定值后才是闭合的，此时即达到循环稳定状态。对于每一个固定的应变范围，都能得到相应的稳定滞后回线。将不同应变范围的稳定滞后回线的顶点连接起来，便得到一
13、条循环应力-应变曲线。循环应变会导致材料形变抗力发生变化，使材料的强度变得不稳定，特别是由循环软化材料制作的机件，在承受大应力循环使用过程中，将因循环软化产生过量的塑性变形而使机件破坏。因此，承受低周大应变的机件，应该选用循环稳定或循环硬化型材料。 对镁合金疲劳裂纹萌生行为的研究表明，当铸造镁合金中存在显微孔洞、夹杂等缺陷时，将损害其疲劳性能。Mayer等16的研究表明，当孔洞尺寸和数量超过一定范围时，将明显降低镁合金疲劳裂纹扩展的临界应力门槛值，使疲劳极限下降。另外，较大的夹杂物尺寸、枝晶间距及粗晶组织都有利于疲劳裂纹的扩展。对于变形镁合金，试样表面加工状态和夹杂物是影响其疲劳性能的主要因素17。当试样表面加工良好，内部夹杂物尺寸较大时，疲劳裂纹将优先从内部夹杂物处萌生；而当试样表面加工粗糙，内部夹杂物尺寸较小时，疲劳裂纹则优先从试样表面加工刀痕处萌生；但当夹杂物刚好位于试样表面时，两者共同促进裂纹萌生。裂纹萌生后，短裂纹通常沿着与载荷方向呈45°的方向生长，生长时受显微组织、晶界和(0001)基面取向的影响较大。裂纹扩展方向一般与载荷垂直。变形镁合金中的疲劳裂纹一般以穿晶或沿晶方式扩展，断裂具有解理特征18-22。) 影响变形镁合金疲劳行为的因素： 固溶AZ80棒材低周疲劳性能研究(5): 9 / 10
