热处理对挤压变形AM50镁合金疲劳行为的影响

收稿日期:2006-10-10.基金项目:辽宁省科技厅科技攻关资助项目(2004404006).作者简介:李　锋(1961-),辽宁沈阳人,教授,博士,主要从事镁合金及其应用等方面的研究.文章编号:1000-1646(2007)03-0263-04热处理对挤压变形AM50镁合金疲劳行为的影响李　锋1,2,吴　崴2,陈立佳2,刘　正2,周继扬1(1.大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024;2.沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110023)摘　要:采用低周疲劳试验研究了固溶处理和时效处理对挤压变形AM50镁合金在疲劳加载条件下的变形行为和疲劳寿命的影响.结果表明,固溶和时效处理均可改变挤压变形AM50镁合金的循环应力响应行为和循环应力2应变行为,并降低挤压变形AM50镁合金的循环应变硬化指数和循环强度系数;在高的外加总应变幅下,固溶和时效处理可以提高挤压变形AM50镁合金的疲劳寿命,但当外加总应变幅较低时,固溶和时效处理则降低挤压变形AM50镁合金的疲劳寿命;固溶处理将抑制挤压变形AM50镁合金在疲劳变形期间发生动态应变时效.关　键　词:镁合金;热处理;疲劳变形;疲劳寿命;动态应变时效中图分类号:TG 113.255 文献标识码:AInfluence of heat treatment on fatigue behavior of extruded AM50alloyL I Feng 1,2,WU Wei 2,CHEN Li 2jia 2,L IU Zheng 2,ZHOU Ji 2yang 1(1.School of Material Science and Engineering ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,China ; 2.School of Material Science and Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )Abstract :The influence of heat treatment including solid solution and aging treatments on the deformation behavior and fatigue life of the extruded AM50magnesium alloy was investigated by means of low 2cycle fatigue tests.The results reveal that the solid solution and aging treatments will lead to a change in both cyclic stress response and cyclic stress 2stain behavior of the extruded AM50alloy.The cyclic strain hardening exponent and cyclic strength coefficient will decrease after solid solution and aging treatments.Both solid solution and aging treatments will enhance the fatigue resistance of the extruded AM50alloy at the high total strain amplitudes ,while decrease the fatigue life of the alloy at the lower total strain amplitudes.In addition ,it has been noted that the solid solution treatment will restrict the occurrence of dynamic strain aging induced by fatigue deformation for the extruded AM50alloy.K ey w ords :magnesium alloy ;heat treatment ;fatigue deformation ;fatigue life ;dynamic strain aging 采用热挤压工艺生产出的变形镁合金产品比铸造材料具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能,可以满足更多结构材料的需求.迄今为止,人们已经对变形镁合金的挤压工艺进行了较为深入细致的研究,特别是在热处理对挤压变形镁合金的显微组织和静态拉伸性能的影响方面取得了实质性进展,已发现合适的热处理可以显著改善挤压变形镁合金的抗拉强度和屈服强度[1-8].尽管目前关于热处理对挤压变形镁合金拉伸性能的影响研究得较多,但关于热处理对挤压变形镁合金动态疲劳性能的影响则研究得较少.为此,本文主要针对挤压变形AM50镁合金在固溶处理和时效处理后的疲劳变形行为进行了研究,以期丰富挤压变形镁合金力学性能的研究内容,并为挤压变形镁合金的进一步研发和工程应用提供可靠的理论依据.第29卷第3期2007年6月沈　阳　工　业　大　学　学　报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 129No 13J un.20071　实验材料及方法本试验所用材料为AM50镁合金,其化学成分为510%Al,013%Mn,011%Z n,0101%S i,0101%Cu,余量为Mg.镁合金的热挤压是在630t卧式挤压机上进行的,具体的挤压参数为:出口速率2～3m/m in,挤压温度为230℃,挤压比约为70∶1.将挤压后的AM50镁合金棒经车削加工制成疲劳试验所需的试样,试样标距部分的长度为10mm,直径为6mm,其中疲劳试样的轴向平行于挤压方向.为了确定热处理对挤压变形AM50镁合金疲劳行为的影响,对部分疲劳试样进行了热处理,其中固溶处理(T4)的工艺规范为417℃保温20h,水冷;人工时效处理(T5)的工艺规范为直接将挤压态的疲劳试样在170℃保温16h,空冷.所有疲劳实验均在最大加载能力为±10kN 的电液伺服M TS810型疲劳试验机上进行.采用轴向拉2压全反复总应变控制模式,应变比为R e= -1.所采用的名义总应变幅为014%～115%,循环频率为015Hz,波形为三角波.2　实验结果与分析211　热处理对循环应力响应行为的影响挤压态(F)以及热挤压后经过固溶处理(T4)和时效处理(T5)的AM50镁合金的循环应力响应曲线如图1所示.对于挤压态AM50镁合金而言,当外加总应变幅为115%时,合金在疲劳变形初期呈现明显的循环应变硬化,随着疲劳变形的进行,循环应变硬化程度逐渐减小,而在疲劳变形后期,由于裂纹的萌生和扩展,循环应力有所下降直至疲劳试样最终断裂;当外加总应变幅为110%时,合金在整个疲劳变形过程中均呈现循环应变硬化;当外加总应变幅为018%时,合金表现为初始循环应变硬化,在疲劳变形中期则呈现稳定的循环应力响应,而在疲劳变形后期又发生循环应变硬化;当外加总应变幅为016%和015%时,在疲劳变形的开始阶段,合金发生循环应变软化,其后则呈现稳定的循环应力响应;当外加总应变幅为014%时,合金先呈现循环应变软化,其后表现为循环稳定,在疲劳变形后期则发生循环应变硬化,如图1a所示.对于经过固溶处理的挤压变形AM50而言,当外加总应变幅为115%时,其在疲劳变形初期呈现短期的循环应变硬化,之后则表现为循环稳定,在疲劳变形后期,再次呈现循环应变硬化直至疲劳试样最终断裂;当外加总应变幅为110%和018%时,合金在整个疲劳变形过程中均呈现循环应变硬化,而且在018%的外加总应变幅下,循环应变硬化效果更加显著;当外加总应变幅为016%时,合金先表现为快速循环应变软化,当循环应力幅值降低到一定值时趋于稳定,而在疲劳变形后期则呈现明显的循环硬化现象;在015%和014%的外加总应变幅下,合金先表现为循环应变软化,其后则发生循环应变硬化直至疲劳试样最终断裂,如图1b所示.对于经过时效处理的挤压变形AM50镁合金而言,当外加总应变幅为115%时,其在疲劳变形初期呈现短期的循环应变硬化,之后则表现为循环稳定,在疲劳变形后期,再次呈现循环应变硬化;当外加总应变幅为110%和018%时,时效处理的挤压变形AM50镁合金在整个疲劳变形过程中均呈现循环应变硬化;当外加总应变幅为016%时,合金先表现为循环应变软化,其后则呈现稳定的循环应力图1　循环应力响应曲线Fig.1　Cyclic stress response curvesa.挤压态b.固溶态c.时效态462 沈　阳　工　业　大　学　学　报第29卷响应,在疲劳断裂之前则发生循环应变硬化;当外加总应变幅为015%时,合金首先呈现较长周期的稳定的循环应力响应,在疲劳变形后期则呈现循环应变硬化;当外加总应变幅为014%时,合金先发生循环应变软化,其后则表现为循环稳定直至试样断裂,如图1c 所示.通过比较不同状态的AM50镁合金的循环应力曲线还可以发现,固溶处理和时效处理均可影响挤压变形AM50镁合金的循环应力响应行为,尤其是在较低的外加总应变幅下,固溶处理对AM50镁合金的循环应力响应行为的影响更为显著.212　热处理对疲劳寿命行为的影响图2所示为挤压变形AM50镁合金在不同状态下的名义总应变幅(Δεt /2)与低周疲劳寿命(N f )之间的关系曲线.图2　挤压变形AM50镁合金在不同状态下的名义总应变幅2寿命关系曲线Fig.2　Total strain amplitude versus fatigue life curvesof extruded AM50alloy with different statuses从图2中可以看出,经过固溶处理的挤压变形合金与经过时效处理的合金具有相似的总应变幅2疲劳寿命曲线走向,即在较高的外加总应变幅下,该曲线相对较陡,而在较低的外加总应变幅下,该曲线则较为平缓;但在本试验所采用的所有外加总应变幅下,未经热处理的挤压态AM50镁合金的曲线均比较平缓.此外,由图2中还可以看出,在高的外加总应变幅下,经过固溶处理的挤压变形AM50镁合金的疲劳寿命最长,而未经过热处理的挤压态AM50镁合金的疲劳寿命最短;当外加总应变幅Δεt /2<112%时,挤压态AM50镁合金的疲劳寿命高于经过固溶处理以及时效处理的合金的疲劳寿命.而且除了在015%的外加总应变幅下,固溶处理的挤压变形AM50镁合金的疲劳寿命低于时效处理的合金的疲劳寿命外,在其余外加总应变幅下,固溶处理的合金的疲劳寿命均高于时效处理的合金的疲劳寿命.213　热处理对循环应力2应变行为的影响材料的循环应力2应变行为也是低周疲劳研究的一个重要方面,它反映了材料在低周疲劳加载条件下的真实应力2应变特性,其通常可以用循环应力2应变曲线来表示.循环应力2应变之间的关系可用下述指数定律来表达[9]Δσ/2=K ′(Δεp /2)n ′(1)式中:Δσ/2———循环应力幅;Δεp /2———塑性应变幅;K ′———循环强度系数;n ′———循环应变硬化指数.图3所示为不同加工处理状态的挤压变形AM50镁合金的循环应力2应变曲线,其中Δσ/2和Δεp /2均由半寿命时的应力2应变滞后回线求得.对图3中的试验数据进行线性回归分析,即可根据式(1)确定出K ′和n ′.这两个参数的具体计算值见表1.可见,挤压变形AM50镁合金的循环应变硬化指数n ′和循环强度系数K ′有着相同的变化趋势,即按照挤压态、固溶态、时效态的顺序依次降低,这也说明固溶处理和时效处理降低了挤压变形AM50镁合金的循环应变硬化指数和循环强度系数.图3　挤压变形AM50镁合金在不同状态下的循环应力2应变曲线Fig.3　Cyclic stress versus strain curves of extrudedAM50alloy with different statuses214　热处理对循环滞后回线的影响图4所示为不同处理状态的挤压变形AM50镁合金在1.5%的外加总应变幅下经过不同周次循环后的循环滞后回线.可见,对于挤压态和挤压后经过时效处理的AM50镁合金而言,在循环滞后回线上的拉伸、压缩变形部分均出现了锯齿状屈服现象,而且压缩变形部分的锯齿状屈服现象更为明显,如图4a 和图4c 所示.这种锯齿状屈服(或流变)现象通常被认为是材料在变形期间发生562第3期李　锋,等:热处理对挤压变形AM50镁合金疲劳行为的影响 动态应变时效(Dynamic Strain Aging ,DSA )的一个重要试验证据[10-12].然而,对于挤压后经过固溶处理的AM50镁合金而言,其循环滞后回线的拉伸和压缩变形部分未出现锯齿状屈服现象,说明固溶态挤压变形AM50镁合金在疲劳变形期间并未发生动态应变时效.图4　循环滞后回线Fig.4　Hysteresis loops at total strain amplitudea.挤压态b.固溶态c.时效态一般认为,动态应变时效主要是由于塑性变形过程中,扩散的溶质原子与运动的位错发生交互作用并使之钉扎而造成的.然而,基于经过固溶处理的挤压变形AM50在疲劳变形期间并未发生动态应变时效这一试验事实可以推测,对于经过挤压变形的AM50镁合金而言,疲劳加载条件下,动态应变时效现象的发生不能单纯地归因于溶质原子与位错间的交互作用.因为在固溶处理条件下,大量的溶质原子固溶于α2Mg 基体相中,这样应该有更合适的条件导致溶质原子与位错之间发生交互作用,但实际上锯齿状屈服并未发生.据此可以认为,许多位错的集体效应才是挤压变形AM50镁合金疲劳变形期间发生动态应变时效的根本原因.当可动位错密度较低时,运动位错之间的相互影响很小,位错运动的速度很高;但当可动位错密度足够大时,运动位错之间的相互影响将显著增大,这样一来,位错的运动速度将急剧下降,塑性变形将明显地集中在试样的某一局部,即产生了塑性变形的不均匀性,从而导致锯齿状屈服现象的出现.另一方面,挤压变形AM50镁合金由于压缩循环变形诱发的孪晶对于动态应变时效的发生具有一定的促进作用(这是因为伴随着孪晶的形成,晶体取向可发生改变,从而有利于大量位错的滑移运动),因此,锯齿状屈服现象在压缩循环变形阶段较之在拉伸循环变形阶段更为显著.3　结　论1)固溶处理和时效处理均可影响挤压变形AM50镁合金的循环应力响应行为,尤其是在较低的外加总应变幅下,固溶处理对挤压变形AM50镁合金的循环应力响应行为的影响更为显著.2)在高的外加总应变幅下,固溶处理和时效处理可以提高挤压变形AM50镁合金的疲劳寿命,但当外加总应变幅较低时,固溶处理和时效处理则降低挤压变形AM50镁合金的疲劳寿命.3)固溶处理和时效处理降低挤压变形AM50镁合金的循环应变硬化指数和循环强度系数.4)固溶处理将抑制挤压变形AM50镁合金在疲劳变形期间发生动态应变时效.参考文献:[1]Ma C J ,Liu M P ,Wu G H ,et al.Tensile properties ofextruded ZK602RE alloys [J ].Materials Science and Engineering ,2003,A349:207-212.[2]Chino Y ,Mabuchi M.Influences of grain size on me 2chanical properties of extruded AZ91Mg alloy after different extrusion processes [J ].Advanced Engineer 2ing Materials ,2001(12):981-983.[3]Murai T ,Matsuoka S ,Miyamoto S ,et al.E ffects of ex 2trusion 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