镁合金疲劳研究现状及展望*

陈 凌， 张贤明， 刘 飞， 刘先斌， 欧阳平

(1.重庆工商大学 废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067；2.重庆大学 机械工程博士后科研流动站，重庆 400044)

镁合金疲劳研究现状及展望*

陈 凌1,2， 张贤明1， 刘 飞2， 刘先斌1， 欧阳平1

(1.重庆工商大学 废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067；2.重庆大学 机械工程博士后科研流动站，重庆 400044)

对镁合金疲劳研究的现状进行了总结，包括镁合金的低周疲劳行为、高周疲劳行为、腐蚀环境下的疲劳行为以及镁合金疲劳寿命的预测方法，并归纳了镁合金疲劳性能强化的主要方法，包括添加稀土元素、热处理、表面处理等；在此基础上，对镁合金疲劳研究的不足进行了分析，并对镁合金疲劳研究的发展方向进行了展望。

镁合金；低周疲劳；高周疲劳；疲劳寿命；疲劳性能强化

镁合金是实用金属中最轻的金属，具有低密度、高强度、高刚性的特点，是汽车工业中最有应用潜力的金属材料。近年来，随着我国汽车工业的迅速发展，以及国家对汽车油耗、排放和汽车轻量化的逐渐重视，镁合金在汽车领域得到了广泛的应用，有效地降低了汽车重量、废气排放和燃油消耗。据《2015—2022年中国汽车轻量化行业全景调研及投资战略咨询报告》预测[1]：2020年后全球轻量化汽车材料需求将超过3 000万t，同时，随着镁合金在汽车领域经济性的逐步显现，单车镁合金用量将持续增加，预计可达100 kg，市场前景宽广。

按成形工艺，镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金，应用范围极其宽广，尤其是汽车领域，应用部件涵盖动力系统、传动系统等多个系统。这些部件服役时通常承受循环应力，形成疲劳损伤，积累到一定程度后导致部件的疲劳失效，疲劳是汽车结构件发生损坏的主要形式之一。

近年来，针对镁合金的疲劳国内外学者进行了大量的研究[2-30]，主要集中在镁合金的低周疲劳行为、高周疲劳行为以及疲劳性能的强化等方面，关于镁合金的疲劳寿命预测以及腐蚀环境下的疲劳行为研究较少，对于镁合金的疲劳损伤尤其是腐蚀环境下的疲劳损伤和寿命预测等方面的研究较为缺乏。基于此，对镁合金疲劳研究现状进行了总结，并提出了进一步研究的建议。

1 镁合金的疲劳行为

1.1 镁合金的低周疲劳行为

镁合金低周疲劳行为的研究主要针对典型铸造镁合金AZ91、AZ91D及典型变形镁合金AZ31、AZ31B等进行，包括应力、应变控制下的循环响应行为、疲劳性能等，具体如下：

LIN Y C等人[2-3]研究了AZ91、AZ91D应力控制下的低周疲劳，研究表明：对于应力控制下的镁合金低周疲劳，当控制模式为非对称应力控制时，材料的疲劳过程存在棘轮效应，棘轮应变随应力幅或平均应力的增加而增加，同时材料的疲劳寿命随应力幅、平均应力及峰值应力的降低而增加。

BEGUM S等人[4]研究了AZ31应变控制下的低周疲劳，研究表明：对于应变控制下的镁合金低周疲劳，材料呈现循环硬化，且由于压缩过程中孪晶的产生以及卸载过程中的去孪晶行为导致材料的迟滞迴线出现非对称现象。GENG C J等人[5-6]研究了AZ31B应变控制下的低周疲劳，研究发现：对于高、低应变控制下的镁合金低周疲劳，材料的变形机制分别为孪生和位错滑移，导致材料的迟滞迴线呈现两种不同的形状，并且材料仅在一定的应变范围内呈循环硬化。此外，DUAN G S等人[7]研究了加载频率对AZ31B低周疲劳行为的影响，发现加载频率的增加会明显地降低循环硬化率，同时提高疲劳寿命。

在AZ31、AZ31B低周疲劳行为的研究基础上，HUANG G S等[8]、WU D K等人[9]研究了预压缩对镁合金低周疲劳性能的影响，研究发现，采用预压缩的预处理方式可以提高镁合金材料的低周疲劳性能。

1.2 镁合金的高周疲劳行为

镁合金高周疲劳行为的研究主要侧重于疲劳裂纹的形核及扩展机制等方面，采用滑移变形理论及孪生理论对裂纹形核及扩展进行解释，具体如下：

SHIH T S[10]、TOKAJI K等人[11]通过对镁合金AZ61A、AZ31高周疲劳行为及断裂机理的研究，采用循环滑移变形理论，对镁合金表面及亚表面裂纹形核原因进行了解释，在此基础上，XU D K等人[12]提出用滑移与环境交互理论来解释镁合金材料的亚表面裂纹形核现象。

相对于滑移变形理论，YANG F[13]、武艳军等人[14]通过对镁合金AZ31高周疲劳的研究，认为镁合金材料的疲劳裂纹是由孪生引起的，易在材料表面或亚表面孪晶带处形核。

相对于单纯用滑移变形理论或孪生理论来解释镁合金高周疲劳裂纹的形核及扩展，NASCIMENTO L等人[15]的观点更为合理，其认为对于晶粒结构不均匀且为强力纤维状结构的镁合金，疲劳裂纹在表面或亚表面孪晶带处形核并沿孪晶带扩展，对于晶粒结构均匀的镁合金，疲劳裂纹的形核及扩展由滑移变形引起。另外，近年来，有学者利用红外热像法研究了镁合金高周疲劳过程中的温度变化[16]，提出采用温度变化来预测镁合金的高周疲劳性能，提供了一种新的研究思路。

1.3 镁合金腐蚀环境下的疲劳行为

镁合金腐蚀环境下的疲劳行为研究较少，以不同空气湿度及NaCl溶液下的疲劳为主，具体如下：

周华茂[17]、BHUIYAN M S[18]、HE X L[19]等人分别研究了AZ31、AZ31B、AZ80-T5等镁合金在不同的空气湿度以及NaCl溶液下的疲劳行为，研究表明：空气含湿量与NaCl浓度的增加会较大的影响材料的疲劳性能，其中NaCl的影响更为明显。同时，材料表面腐蚀坑的形成与增长是降低镁合金在腐蚀环境下疲劳强度的主要原因，Cl-在镁合金材料表面尤其是表面薄弱位置的吸附使得材料的保护膜由Mg(OH)2变为MgCl2，MgCl2易溶于水，导致材料产生腐蚀，并在局部位置形成腐蚀微坑，腐蚀微坑的形成与增长使得材料同时承受疲劳和腐蚀的作用，使得疲劳性能明显降低，且Cl-浓度越大，疲劳性能降低程度越明显。

在上述研究基础上，有学者针对如何降低及防止镁合金腐蚀进行了研究[20]，发现涂层、喷丸等手段可有效降低腐蚀对镁合金材料疲劳性能的影响。

2 镁合金疲劳寿命的预测

镁合金疲劳寿命预测的研究较少，主要以经典的Manson-Coffin公式、Basquin公式以及在此基础上的一些修正[21-22]为主，缺乏系统深入的研究，大都以应变或应力为疲劳参量，建立相应的应变-寿命模型或应力-寿命模型，不能揭示疲劳损伤的本质，对于存在初始损伤或者存在非对称载荷的情况，适用性较差。除应力、应变外，有学者采用应变能密度作为疲劳参量来表征镁合金材料的疲劳寿命[23]，但这类研究大都较为简单，仅考察了塑性应变能密度、总应变能密度与疲劳寿命的关系，对于非对称载荷等复杂工况下的疲劳寿命预测，研究较为缺乏。

除此之外，近年来，张红霞等人[24]通过红外热像仪考察了镁合金AZ31B疲劳过程中的表面温度变化情况，在此基础上，提出利用峰值温度和应力关系来预测镁合金材料的疲劳寿命，提供了一种镁合金疲劳寿命预测的新方法。

3 镁合金疲劳性能的强化

镁合金疲劳性能强化的研究主要侧重于稀土元素的加入，具体包括：ZHU R[25]、WANG F H[26]等人以镁合金GW83、GW102k为对象，研究了重稀土元素Gd、Y对镁合金疲劳性能的改善，研究发现，加入稀土元素后，材料的组织发生了显著的变化，合金晶粒发生明显的细化，材料循环硬化或软化现象加强，疲劳性能得到较大的改善。PENG L M[27]，MIRZA F A[28]等人以镁合金N230K为对象，研究了轻稀土元素Nd对镁合金低周及高周疲劳性能的影响，发现Nd能明显提高镁合金的抗蠕变性能。YANG Y[29]、FU Q Q[30]等人研究了轻稀土元素Ce对镁合金AZ91D高周及低周疲劳性能的影响，发现添加Ce后AZ91D的晶粒显著细化，疲劳性能明显提高。

除添加稀土元素外，热处理、表面处理等加工工艺同样可提高镁合金的疲劳性能。张思倩等人[31]研究了时效和固溶处理对镁合金疲劳性能的影响，研究发现：时效和固溶处理可以加强镁合金材料循环过程中发生变形的抵抗能力，但对于材料疲劳寿命的影响不一，对于高外加应变载荷的情况，时效和固溶处理可提高疲劳寿命，对于低外加应变载荷的情况，时效和固溶处理后的镁合金材料疲劳寿命反而降低，这可能是由于疲劳过程中产生的孪晶导致的。张青来等人[32]以铸造镁合金AZ91D-T6为对象，研究了采用激光进行表面处理对材料疲劳性能的影响，研究表明：采用激光进行表明处理后，镁合金材料表面的硬度明显提高，同时晶粒发生明显的细化，疲劳性能得到较大的提高。

4 结论及展望

鉴于镁合金在汽车、航空航天等领域广阔的应用前景，镁合金的疲劳研究受到了广泛的关注。但目前，关于镁合金疲劳的研究主要集中在镁合金的疲劳行为以及疲劳性能强化等方面，关于镁合金的疲劳寿命预测以及腐蚀环境下的疲劳行为研究较少，对于镁合金的疲劳损伤尤其是腐蚀环境下的疲劳损伤和寿命预测等方面的研究较为缺乏。通过研究实际工况下镁合金的疲劳行为，揭示材料损伤机理和损伤演化规律，进而给出合理的损伤评估方法、寿命预测模型以及性能强化手段，是未来镁合金疲劳研究发展的重要方向，同时也是相应工况下镁合金部件设计及评估的重要依据。

[1] 智研咨询公司.2015—2022年中国汽车轻量化行业全景调研及投资战略咨询报告[Z].智研咨询集团,2015

Zhiyan Consulting Company.Panoramic Research and Investment Strategy Consulting Report for Automotive Lightweight Industry of China from 2015 to 2022[Z].Zhiyan Consulting Group,2015

[2] LIN Y C,CHEN X M,LIU Z H,et al.Investigation of Uniaxial Low-cycle Fatigue Failure Behavior of Hot-Rolled AZ91 Magnesium Alloy[J].International Journal of Fatigue,2013,48(1):122-132

[3] CHEN X M,LIN Y C,CHEN J.Low-cycle Fatigue Behaviors of Hot-Rolled AZ91 Magnesium Alloy Under Asymmetrical Stress-controlled Cyclic Loadings[J].Journal of Alloys and Compounds,2013,57(9):540-548

[4] BEGUM S,CHEN D L,XU S,et al.Low Cycle Fatigue Properties of An Extruded AZ31 Magnesium Alloy[J].International Journal of Fatigue,2009,31(2):726-735

[5] GENG C J,WU B L,DU X H,et al.Low Cycle Fatigue Behavior of Extruded AZ31B Magnesium Alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,23(8):1589-1594

[6] GENG C J,WU B L,DU X H,et al.Low Cycle Fatigue Behavior of the Textured AZ31B Magnesium Alloy Under the Asymmetrical Loading[J].Materials Science & Engineering A,2013,60(10):618-626

[7] DUAN G S,WU B L,DU X H,et al.The Cyclic Frequency Sensitivity of Low Cycle Fatigue (Lcf) Behavior of the AZ31B Magnesium Alloy[J].Materials Science & Engineering A,2014,60(3):11-12

[8] HUANG G S,LI J H,HAN T Z,et al.Improving Low-cycle Fatigue Properties of Rolled AZ31 Magnesium Alloy by Pre-compression Deformation[J].Materials & Design,2014,58(7):439-444

[9] WU W,AN K.Understanding Low-cycle Fatigue Life Improvement Mechanisms in a Pre-twinned Magnesium Alloy[J].Journal of Alloys and Compounds,2016,65(6):539-550

[10] SHIN T S,LIU W S,CHEN Y J.Fatigue of As-extruded AZ61A Magnesium Alloy[J].Materials Science and Engineering A,2002,32(5):152-162

[11] TOKAJI K,KAMAKURA M,ISHIIZUMI Y,et al.Fatigue Behavior and Fracture Mechanism of A Rolled AZ31 Magnesium Alloy[J].International Journal of Fatigue,2004,26(11):1217-1224

[12] XU D K,LIU L,XU Y B,et al.The Crack Initiation Mechanism of the Forged Mg-Zn-Y-Zr Alloy in the Super-long Fatigue Life Regime[J].Scripta Materialia,2007,56(1):1-4

[13] YANG F,YIN S M,LI S X,et al.Crack Initiation Mechanism of Extruded AZ31 Magnesium Alloy in the Very High Cycle Fatigue Regime[J].Materials Science and Engineering A,2008,49(1):131-136

[14] 武艳军,朱荣,卢田,等.挤压态AZ31镁合金高周疲劳行为[J].南京理工大学学报(自然科学版),2011,35(1):118-121

WU Y J,ZHU R,LU T,et al.High Cycle Fatigue Properties of Extruded AZ31 Magnesium Alloy[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology(Nature Science),2011,35(1):118-121

[15] NASCIMENTO L,YI S,BOHLEN J,et al.High Cycle Fatigue Behaviour of Magnesium Alloys[J].Procedia Engineering,2010,32(2):743-750

[16] GUO S F,ZHOU Y G,ZHANG H X,et al.Thermographic Analysis of the Fatigue Heating Process for AZ31B Magnesium Alloy[J].Materials & Design,2015,65(6):1172-1180

[17] 周华茂,王俭秋,张波,等.轧制AZ31B镁合金在空气和NaCl溶液中的疲劳行为[J].中国腐蚀与防护学报,2009,29(2):132-136

ZHOU H M,WANG J Q,ZHANG B,et al.Fatigue Behavior of Rolled AZ31B Magnesium Alloy in Air and NaCl Solution[J].Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection,2009,29(2):132-136

[18] BHUIYAN M S,MUTOH Y,MURAI T,et al.Corrosion Fatigue Behavior of Extruded Magnesium Alloy AZ80-T5 in a 5% Nacl Environment[J].Engineering Fracture Mechanics,2010,77(4):1567-1576

[19] HE X L,WEI Y H,HOU L F,et al.Corrosion Fatigue Behavior of Epoxy-Coated Mg-3Al-1Zn Alloy in Nacl Solution[J].Rare Metals,2014,23(3):276-286

[20] ISHIHARA S,NAMITO T,NOTOYA H,et al.The Corrosion Fatigue Resistance of an Electrolytically-Plated Magnesium Alloy[J].International Journal of Fatigue,2010,32(6):1299-1305

[21] YU Q,ZHANG J,JIANG Y Y,et al.Effect of Strain Ratio on Cyclic Deformation and Fatigue of Extruded AZ61A Magnesium Alloy[J].International Journal of Fatigue,2012,44(2):225-233

[22] HASEGAWA S,TSUCHIDA Y,YANO H,et al.Evaluation of Low Cycle Fatigue Life in AZ31 Magnesium Alloy[J].International Journal of Fatigue,2007,29:1839-1845

[23] SHIOZAWA K,KITAJIMA J,KAMINASHI T,et al.Low-Cycle Fatigue Deformation Behavior and Evaluation of Fatigue Life on Extruded Magnesium Alloys[J].Procedia Engineering,2011,27(10):1244-1249

[24] 张红霞,裴飞飞,闫志峰,等.基于红外热像法的AZ31B镁合金疲劳寿命预测[J].稀有金属材料与工程,2014,43(10):2525-2529

ZHANG H X,PEI F F,YAN Z F,et al.Prediction of AZ31B Magnesium Alloy Fatigue Life Based on Infrared Thermography[J].Rare Metal Materials and Engineering,2014,43(10):2525-2529

[25] ZHU R,CAI X T,WU Y J,et al.Low-cycle Fatigue Behavior of Extruded Mg-10Gd-2Y-0.5 Zr Alloys[J].Materials and Design,2014,53(6):992-997

[26] WANG F H,DONG J,FENG M L,et al.A Study of Fatigue Damage Development in Extruded Mg-Gd-Y Magnesium Alloy[J].Materials Science & Engineering A,2014,58(9):209-216

[27] PENG L M,FU P H,LI Z M,et al.High Cycle Fatigue Behaviors of Low Pressure Cast Mg-3Nd-0.2Zn-2Zr Alloys[J].Materials Science & Engineering A,2014,61(1):170-176

[28] MIRZA F A,CHEN D L,LI D J,et al.Low Cycle Fatigue of an Extruded Mg-3Nd-0.2Zn-0.5Zr Magnesium Alloy[J].Materials and Design,2014,64(5):63-73

[29] YANG Y,LIU Y B.High Cycle Fatigue Characterization of Two Die-Cast Magnesium Alloys[J].Materials Characterization,2008,59(2):567-570

[30] FU Q Q,LI Y S,LIU G W,et al.Low Cycle Fatigue Behavior of AZ91D Magnesium Alloy Containing Rare-Earth Ce Element[J].Procedia Engineering,2012,27(10):1794-1800

[31] 张思倩,吴伟,陈丽丽,等.热处理对挤压变形Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金低周疲劳行为的影响[J].金属学报,2014,50(6):700-706

ZHANG S Q,WU W,CHEN L L,et al.Influence of Heat Treatment on Low-cycle Fatigue Behavior of Extruded Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y Alloy[J].Acta Metallurgica Sinica,2014,50(6):700-706

[32] 张青来,吴铁丹,钱阳,等.AZ91D-T6铸造镁合金激光冲击强化和高周疲劳性能研究[J].中国激光,2012,41(10):87-93

ZHANG Q L,WU T D,QIAN Y,et al.Study on High Cycle Fatigue Properties and Laser Shock Processing of AZ91D-T6 Cast Magnesium Alloy[J].Chinese Journal of Lasers,2012,41(10):87-93

责任编辑：田 静

Present Situation and Development of Research on Fatigue of Magnesium Alloys

CHEN Ling1, 2,ZHANG Xian-ming1, LIU Fei2,LIU Xian-bin1, OUYANG Ping1

(1. Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China; 2. Mobile Post-doctoral Research Station of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400044 , China)

The present studies of the fatigue of magnesium alloys have been summarized in this paper, including the low cycle fatigue behavior, high cycle fatigue behavior, fatigue behavior under the corrosive environment and fatigue life prediction methods of magnesium alloys. And then, the main methods for the fatigue strengthening of magnesium alloys have also been summarized, such as the rare earth element adding, heat treatment, surface treatment and etc. On this basis, the shortage of the present magnesium alloy fatigue research is analyzed. In addition, the developing direction of magnesium alloy fatigue research in the future is discussed.

magnesium alloys; low cycle fatigue; high cycle fatigue; fatigue life; fatigue property strengthening

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0001.015

2016-07-20；

2016-09-15.

中国博士后科学基金面上项目(2015M582523)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500624)；重庆工商大学科研启动经费项目(2014-56-10).

陈凌(1979-)，男，重庆市人，高级工程师，博士，从事金属材料的疲劳、断裂、腐蚀及废弃物循环利用技术研究.

TG146.2

A

1672-058X(2017)01-0075-05