超细晶AZ31镁合金低周疲劳性能研究(5)

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金属受恒定循环应变加载时，应力应变滞后环在循环初期是不封闭的，经过一定周次的循环后形成封闭的滞后环，该滞后环所包含的面积与材料在一个加载循环过程中所消耗的不可逆变形功成正比。滞后环的变化及其特征参量是循环周次的函数，且可以通过材料的微观组织变化来描述[13]。循环应变会改变材料的变形抗力，即产生循环硬化或循环软化现象[14]。一些结构件在承受复杂应力循环时，零件的关键部位会进入塑性应变范围内工作，但循环频率较小，从而构成大应力或高应变的低周疲劳。

由于镁合金常用于汽车、航海及航空等设备的结构件，所受载荷形式较为复杂，且在实际工程中往往存在一定的结构约束，用应变控制的疲劳实验测得的寿命比应力控制测得的寿命更接近实际情况，对材料的疲劳行为分析更具有实际意义。

1.4.4 细晶化在疲劳中的作用

虽然镁合金相较于常规金属工程材料，如钢铁，铝合金等具有较高的比强度，但是镁合金的绝对强度远低于上述工程材料[10]。一般情况下，金属材料的疲劳强度正比于静态拉伸强度[9]。因此，镁合金的疲劳极限相对较低。Uematsu Y.等[11-13]通过研究轧制及挤压AZ31镁合金的疲劳性能，证实了镁合金较低的疲劳极限，难以满足工程应用的需要。

为了提高镁合金的强度，近而提高镁合金的疲劳极限，许多研究者都把目光投向细晶镁合金领域。细晶化是提高金属材料重要的一个举措，Hall-Petch关系表明，晶粒越细小，材料的强度越高，镁合金的Hall-Petch因子k（200-300MPa μm1/2）比铝合金的高，因此晶粒细化提高镁合金力学性能的潜力远远大于铝合金[14,15]。众所周知，金属材料的高周疲劳寿命受强度影响，而低周疲劳寿命与其塑性有关[8]。对于镁合金，尤其是AZ31镁合金而言，晶粒细化是提高其强度和塑性的一个行之有效的方法，因为AZ31镁合金既不可能靠热处理强化亦不能靠应变强化。

剧烈塑性变形法是最近几年发展起来的制备超细晶材料的有效方法，它是在相对较低温度下对材料施加较大塑性变形，在此过程中材料组织逐渐优化并最终获得超细晶,并且具有工艺简单，成本低，使用传统工业设备可制备大块致密材料以及对传统材料进行性能改造等优点 [17-19]。ECAP技术就是一种能获得大尺寸亚微米或纳米级块体材料的剧烈塑性变形方式。经过ECAP挤压后，晶粒极大细化，晶界明显增多。由于晶界能有效阻碍位错的滑移，容易在晶界前方形成应力集中使得更多的滑移系被激活，从而使合金的整体变形均匀，带来合金力学性能的优化。W.J.Kim[20]等人的研究发现，AZ61镁合金沿Bc路径在548K下经过不同道次的挤压后合金的延伸率有大幅度提高，而屈服应力和抗拉强度明显降低。这主要是ECAP挤压过程中形成的织构对材料的软化作用大于细晶强化，而晶粒细化能激活更多的滑移系。在疲劳过程中，滑移系的增加有利于晶体内部变形协调均匀，降低材料内部应力集中的几率，对裂纹的萌生和扩展起到阻碍作用，因此，细晶化有利于提高材料的疲劳性能[22]。文献综述

1.5 本课题的研究背景及意义

金属镁在元素周期表中属ⅡA族碱土金属,原子序数为12,是地壳中含量最丰富的元素之一,约占地壳质量的2.35%。纯镁的密度为1.736×103kg/m3,普通镁合金的密度为(1.3～1.9)×103kg/m3,是迄今在工程中应用的最轻的结构材料[6]。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,易于回收利用,被誉为“21世纪的绿色工程金属结构材料”。然而,镁合金材料现有的使用状况远没有充分发挥其潜在优势,在实际工业应用方面的发展远不及铝合金和钢铁工业。正如著名材料专家Cahn所指出的,“在材料领域中还没有任何材料像镁那样存在潜力与现实如此大的颠倒”[21]。