AZ91镁合金单轴棘轮效应及低周疲劳行为研究

【摘要】：镁合金作为一种轻质高性能金属结构材料,在汽车、航空、航天等领域的应用日益广泛,对其疲劳性能的要求也越来越高。然而,镁合金零部件在实际服役过程中不可避免地承受非对称循环应力,产生棘轮效应,将严重影响其疲劳性能。因此,对这类构件进行疲劳可靠性设计时,需要考虑材料/零部件的棘轮效应及其对疲劳行为的影响。本文研究了AZ91镁合金的单轴棘轮效应和低周疲劳行为特点,探明了材料在棘轮效应和低周疲劳行为作用下的失效机理。研究内容与主要成果包括以下四方面： (1)通过对AZ91镁合金进行非对称应力循环实验,研究了材料的循环特性和单轴棘轮效应特性,结果表明：在室温下材料先呈现循环硬化特性,后呈现一定的循环软化特性；材料的单轴棘轮应变随平均应力、应力幅值、峰值应力的增大和峰/谷保载时间的增加而提高,而且应力加载史对棘轮应变的影响显著。此外,由于轧制镁合金板材具有各向异性特征,导致材料轧制方向的棘轮效应较横向方向更为突出。 (2)基于材料疲劳失效过程中的能量耗散机理,研究了各种工况参数对低周疲劳行为的影响规律,结果表明：低周疲劳失效寿命随平均应力、应力幅值、峰值应力的增大而降低,随应力比的增加而提高。 (3)基于低周疲劳失效寿命实验结果,综合考虑非对称循环加载工况参数对疲劳寿命的影响,通过修正Basquin模型中的疲劳强度系数和疲劳强度指数,建立了AZ91镁合金低周疲劳失效寿命的预测模型,其预测值与实验结果的误差分散度仅为23.77%,因此该模型具有较高预测精度。 (4)通过对试样失效断口形貌观察和金相组织分析实验,探明了材料在棘轮效应和低周疲劳行为作用下的失效机理,结果表明：在应力循环初期,棘轮效应剧烈,容易在孪晶界、位错塞积等处萌生裂纹；在应力循环中期,由于棘轮应变总是朝着材料最大延性方向发展,棘轮应变是裂纹增长的驱动力；在应力循环后期,由于材料内部空洞长大、裂纹扩展等缺陷的不断加速,导致其内部应力集中更加明显,严重降低其承载能力,最终发生疲劳失效。