AZ91D室温环境棘轮及其低周疲劳行为

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(1.重庆工商大学 废油资源化技术与装备工程研究中心，重庆 400067； 2.重庆大学 机械工程博士后科研流动站，重庆 400044； 3.重庆工商大学 制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆 400067)

AZ91D室温环境棘轮及其低周疲劳行为

陈凌1,2，张贤明1，刘飞2，欧阳平1，贾艳艳3

(1.重庆工商大学废油资源化技术与装备工程研究中心，重庆400067；2.重庆大学机械工程博士后科研流动站，重庆400044；3.重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆400067)

通过AZ91D室温环境应力控制下的低周疲劳试验，对铸造镁合金棘轮及其低周疲劳行为进行了研究，讨论了室温环境下材料的应力循环特性、棘轮行为、塑性应变范围、全应变范围等疲劳参量随载荷水平和加载历史的变化规律，同时基于平均应力修正对材料的应力-寿命曲线进行了讨论。研究结果表明： AZ91D在室温环境下的应力循环呈循环硬化，材料的棘轮行为和塑性应变范围、全应变范围等疲劳参量依赖于载荷水平和加载历史，另外考虑平均应力修正后的应力-寿命曲线预测效果有明显改观。

铸造镁合金AZ91D； 低周疲劳； 棘轮行为； 平均应力

1 引 言

近年来，随着镁合金构件在汽车、航天等领域的广泛应用[1]，镁合金的疲劳研究逐渐受到国内外学者的关注[2-6]。作为典型的铸造镁合金，AZ91D是其中强度最高、耐腐蚀性最好的材料之一，同时也是汽车构件应用最多的一种镁合金，其疲劳性能的研究一直是材料界研究的热点。

目前，关于AZ91D的疲劳研究主要集中在高周疲劳行为[7-9]、应变控制模式下的低周疲劳行为[10-12]以及疲劳性能强化[13-16]等方面，对于应力控制模式下的低周疲劳行为研究较少。另一方面，对于镁合金构件，其实际工况多为非对称的应力载荷，由于平均应力的存在，使得结构或材料的强度设计除考虑循环载荷外，还需考虑循环蠕变产生的棘轮行为的影响。目前关于材料棘轮行为的研究，主要集中于压力容器用钢等高温材料上面[17]，对于镁合金棘轮行为的研究较为缺乏。

针对上述情况，本文以AZ91D为对象，通过AZ91D在室温环境应力控制下的低周疲劳试验，对材料的棘轮及低周疲劳行为进行了研究，讨论了室温环境下材料的应力循环特性、棘轮行为、塑性应变范围、全应变范围等疲劳参量随载荷水平和加载历史的变化规律，同时基于平均应力修正对材料的应力-寿命曲线进行了讨论，为AZ91D等镁合金材料的强度设计和安全评估提供试验数据和理论依据。

2 试验条件

试验材料为AZ91D，化学成分见表1，材料在室温(25℃)下的主要力学指标如下：抗拉强度σb为270～280MPa，屈服强度σ0.2为130～ 145MPa，弹性模量E为40～45GPa，延伸率为5～8%。

表1 试验用AZ91D化学成分/wt%

试验在电液伺服疲劳试验机MTS 370上进行，按低周疲劳试验标准《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》[18]，采用光滑圆棒试样，试样具体尺寸见图1。采用应力控制，温度恒定为室温25℃，控制波形为三角波，加载频率为1～3Hz。

图1 疲劳试样尺寸示意图Fig.1 Fatigue specimen size in experiments

为考察AZ91D的棘轮行为，进行了固定平均应力、改变名义应力幅以及固定名义应力幅、改变平均应力的非对称载荷疲劳试验，同时还进行了不同载荷历程下的非对称载荷疲劳试验，考察了材料的应力循环特性，以及平均应力、应力幅、加载历史等对材料棘轮行为的影响。具体的试验条件见表2，其中，Δσ为名义应力范围，σa为名义应力幅，σm为平均应力，N为循环周次。

表2 AZ91D棘轮行为试验数据(室温25℃)

在上述试验基础上，通过应力控制下AZ91D的低周疲劳试验，考察了材料低周疲劳过程中塑性应变范围、全应变范围等疲劳参量随加载历史、平均应力与应力幅的变化规律，并在此基础上基于平均应力的修正对材料的应力-寿命曲线进行了讨论。具体的试验条件及试验结果见表3，其中，R为应力比，Nf为疲劳寿命。

表3 AZ91D低周疲劳试验数据(室温25℃)

3 AZ91D室温环境下的应力循环特性

材料的应力循环特性(循环硬化或循环软化)可通过循环过程中全应变范围Δεt的变化得到，通常来说，材料的循环特性在循环初期表现明显。为研究AZ91D室温环境下的应力循环特性，考察了AZ91D室温环境应力控制下初始循环周期内的全应变范围变化，具体如图2所示。

图2 AZ91D室温环境全应变范围变化图Fig.2 Total strain range change of AZ91D at room temperature

由图2可知:①材料的全应变范围在最初的循环周次内急剧下降，材料呈快速循环硬化，且载荷越大，初期的循环硬化趋势越明显；②随着循环的进行，材料的全应变范围仍呈下降趋势，但变化幅度明显变小且趋于平缓，说明经过初期的快速硬化后，材料的循环硬化逐渐趋缓，且随着循环的稳定，硬化速率逐渐趋零。

从上述分析可知，AZ91D室温环境下的应力循环呈循环硬化，其循环硬化特性依赖于载荷水平及加载历史。

4 AZ91D室温环境下的棘轮行为

材料在承受非对称应力载荷时，由于平均应力的存在，材料除承受疲劳载荷外，还需承受循环蠕变产生的棘轮行为的影响，使材料的疲劳性能受到较大的影响。因此，研究材料的棘轮行为意义较大。

通常来说，特定温度下材料的棘轮行为依赖于载荷水平和加载历史。为考察AZ91D室温环境下的棘轮行为，进行了固定平均应力-改变名义应力幅、固定名义应力幅-改变平均应力以及不同载荷历程下的非对称载荷疲劳试验，具体的试验条件见表2。表2所示的R-1#～R-4#试样加载过程中的应力-应变曲线(迟滞回线)变化见图3。同时，以式(1)定义棘轮应变εr，可得R-1#～R-4#试样加载过程中的棘轮应变变化规律(如图4所示)，其中，εmax为每一循环过程中的最大应变，εmin为每一循环过程中的最小应变。

εr=εmax+εmin

(1)

图3 AZ91D室温环境非对称应力控制下的循环应力-应变曲线(a. R-1#试样； b. R-2#试样； c. R-3#试样； d. R-4#试样)Fig.3 Cyclic stress-strain curves of AZ91D under asymmetrical stress control at room temperature (a. R-1# sample; b. R-2# sample; c. R-3# sample; d. R-4# sample)

由图3可知，AZ91D在室温非对称应力载荷控制时存在明显的循环蠕变(即棘轮效应)，同时材料初期的循环蠕变速率较快，棘轮行为较为明显，随着循环的进行以及材料的循环硬化，循环蠕变逐渐降低并趋于稳定。

图4给出了AZ91D室温环境不同载荷工况下棘轮应变的变化规律，由图4可知：①材料的棘轮应变在最初的循环周次内增加迅速，棘轮行为较为明显，随着循环的进行，材料的棘轮应变变化逐渐趋于平缓；②平均应力相同时，材料的名义应力幅越大，棘轮应变的增加速率越大，棘轮行为越明显；③名义应力幅相同时，材料的平均应力越大，棘轮应变的增加速率越大，棘轮行为越明显；④峰值应力相同时，材料的名义应力幅越大，棘轮应变的增加速率越大，棘轮行为越明显，这说明峰值应力相同时，名义应力幅对材料棘轮行为的影响要大于平均应力。

图4 AZ91D室温环境棘轮应变变化图Fig.4 Ratcheting strain change of AZ91D at room temperature

图3、图4给出了载荷水平对材料棘轮行为的影响，为了研究加载历史对AZ91D室温环境下棘轮行为的影响，进行了表2中R-5#试样所示的疲劳试验，加载过程如下：phaseⅠ(Δσ=20～60MPa)→phaseⅡ(Δσ=0～100MPa)→phaseⅢ(Δσ=20～60MPa)，各阶段加载周次为500次。图5给出了R-3#试样和R-5#试样第2阶段加载的棘轮应变变化图，以及R-5#试样第1阶段和第3阶段的棘轮应变变化图。

图5 AZ91D室温环境不同加载历程下的棘轮应变变化图(a. R-5#试样(phaseⅡ)与R-3#试样；b. R-5#试样(phaseⅠ)与R-5#试样(phaseⅢ))Fig.5 Ratcheting strain change of AZ91D under different loading histories at room temperature (a. R-5# sample (phaseⅡ) and R-3# sample; b.R-5# sample (phaseⅠ) and R-5# sample (phaseⅢ))

图6 AZ91D室温环境塑性应变范围变化图(a. 0～200cycle；b. 200～2000cycle)Fig.6 Plastic strain range change of AZ91D at room temperature (a. 0～200cycle；b. 200～2000cycle)

图7 AZ91D室温环境全应变范围变化图Fig.7 Total strain range change of AZ91D at room temperature

从图5(a)可以看出，经过较低载荷循环后的试样，在相同的载荷水平下，棘轮应变及棘轮应变增长速率明显变小，棘轮行为减弱，说明材料经过初期较低载荷的循环后，强度得到了提高，这和文献[19-20]的结论类似，说明较低载荷的预循环有利于AZ91D疲劳强度的提高。另外，从图5(b)可以看出，经较高载荷循环后的试样，在相同的载荷水平下，棘轮应变及棘轮应变增长速率变大，棘轮行为增强，说明较高载荷水平下的应力循环，会加速后续载荷水平下的棘轮行为。

5 AZ91D室温环境下的低周疲劳行为

通常来说，材料的低周疲劳行为可通过其相应的应力、应变参量得以反映。为考察AZ91D室温环境下的低周疲劳行为，进行了铸造镁合金室温环境应力控制下的低周疲劳试验，具体的试验条件见表2。图6、图7为表2中典型低周疲劳试样的塑性应变范围Δεp和全应变范围Δεt变化图。

从图6可知，对于AZ91D室温环境应力控制下的低周疲劳，其塑性应变范围与载荷水平和加载历史相关，在循环初期塑性应变范围急剧下降，随着循环的进行其变化速率降低，并趋于稳定。同时，载荷水平越大，材料的塑性应变范围越大，且从峰值应力相同、应力比不同的试样对比来看，名义应力幅对塑性应变范围的影响要大于平均应力。

从图7可知，对于AZ91D室温环境应力控制下的低周疲劳，其全应变范围的变化同塑性应变范围类似，与载荷水平和加载历史相关，在循环初期全应变范围急剧下降，说明材料在循环初期的循环硬化趋势明显，随着循环的进行，全应变范围仍呈下降趋势，但下降速率较慢并趋于稳定。同时，载荷水平越大，全应变范围越大，且从峰值应力相同、应力比不同的试样对比来看，名义应力幅对全应变范围的影响要大于平均应力。

6 AZ91D室温环境下的应力-寿命曲线

材料的应力-寿命曲线(即S-N曲线)表达式如下：

(2)

式中，a、C为材料常数。

对于非对称应力载荷控制下的低周疲劳，由于平均应力的存在，导致材料在承受疲劳载荷的同时，还需承受循环蠕变带来的棘轮行为的影响，此时其应力-寿命曲线应考虑平均应力的修正。

目前，关于镁合金低周疲劳平均应力修正的研究较多，其中应用最多的为SWT(Smith Wastson Topper)修正法[21]，其采用式(3)所示的等效应力代替名义应力幅，得到新的应力-寿命曲线如式(4)所示：

(3)

(4)

式中，σeq为等效应力。

基于表2所示试验数据，对式(2)、式(4)所示应力-寿命曲线进行了拟合，拟合曲线见图8，拟合关系式见式(5)、式(6)，其中Rf为拟合相关系数。

σaNf0.081=166.5559，Rf=0.87156

(5)

σeqNf0.0732=234.3635，Rf=0.93022

(6)

用式(5)、式(6)所示的应力-寿命曲线对AZ91D室温环境应力控制下的低周疲劳进行了寿命预测，预测效果见图9。由图9可见，未经平均应力修正的应力-寿命曲线预测效果较差，仅40%的数据点在2倍误差带以内；经平均应力修正的应力-寿命曲线预测效果明显提高，60%的数据点位于2倍误差带以内，同时2倍误差带以外的数据点距离2倍误差带的距离明显小于未经平均应力修正的应力-寿命曲线。上述分析表明，对于承受非对称应力载荷的铸造镁合金低周疲劳，由于棘轮行为的影响，在进行寿命评估及疲劳设计时，需考虑平均应力的影响。另外，尽管考虑了平均应力的影响，上述应力-寿命曲线的预测精度仍然不高，这是由于应力-寿命曲线仅反映了载荷水平的影响，无法体现试样表面的光滑度、铸造镁合金材料的铸造缺陷等方面对疲劳寿命的影响。由于铸造工艺不可避免地存在气孔、缩孔等缺陷，导致铸造镁合金相同载荷下的寿命波动较大，其寿命评估应综合考虑应变能、微观损伤等可以反映材料缺陷的疲劳参量的影响，以提高预测精度。

图8 AZ91D室温环境应力-寿命曲线拟合图Fig.8 Stress-life fitting curves of AZ91D at room temperature

图9 AZ91D室温环境应力-寿命曲线预测效果图Fig.9 Stress-life curve prediction effect of AZ91D atroom temperature

通过对AZ91D室温环境应力控制下的低周疲劳试验，对材料的棘轮及低周疲劳行为进行了研究，得到如下结论：

1.AZ91D室温环境下的应力循环呈循环硬化，其循环硬化特性依赖于载荷水平及加载历史。在循环初期材料呈快速循环硬化，载荷越大，循环硬化的趋势越明显，随着循环的进行，材料的循环硬化逐渐趋缓。

2.AZ91D室温环境非对称应力载荷工况下存在棘轮行为，其棘轮行为依赖于载荷水平及加载历史。在循环初期材料的棘轮行为较为明显，随着循环的进行，材料的棘轮应变变化趋于平缓；随着材料的名义应力幅及平均应力的增加，棘轮行为越明显；当峰值应力相同时，名义应力幅对材料棘轮行为的影响要大于平均应力；先前较低载荷的循环可以提高材料的疲劳强度，降低材料的棘轮行为，先前较高载荷的循环会加速材料的棘轮行为。

3.对于AZ91D室温环境应力控制下的低周疲劳，其塑形应变范围与全应变范围与载荷水平和加载历史相关。在循环初期，材料的塑形应变范围和全应变范围急剧下降，随着循环的进行塑形应变范围和全应变范围逐渐趋于稳定；载荷水平越大，塑形应变范围和全应变范围越大；峰值应力相同时，名义应力幅对材料塑性应变范围和全应变范围的影响要大于平均应力。

4.对于AZ91D室温环境非对称应力载荷控制下的低周疲劳，其应力-寿命曲线应考虑平均应力的修正，经平均应力修正后的应力-寿命曲线的预测效果较未经平均应力修正的应力-寿命曲线有明显改观。

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RatchetingandLowCycleFatigueBehaviorofAZ91DatRoomTemperature

CHENLing1, 2,ZHANGXianming1,LIUFei2,OUYANGPing1,JIAYanyan3

(1.EngineeringResearchCenterforWasteOilRecoveryTechnologyandEquipment,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China;2.MobilePost-doctoralResearchStationofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;3.ChongqingKeyLaboratoryofManufacturingEquipmentMechanismDesignandControl,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

By low cycle fatigue experiments at room temperature under stress control, the ratcheting and low cycle fatigue behavior of cast magnesium alloy AZ91D were studied. In this research, the effects of load level and loading histories on the stress cycle characteristic, ratcheting behavior, plastic strain range and total strain range of AZ91D were discussed. And then, the stress-life curve was analyzed based on the mean stress modification. Results show that the stress cycle of AZ91D at room temperature exhibits cyclic hardening. The ratcheting behavior, plastic strain range and total strain range of AZ91D depend on load levels and loading histories. In addition, compared with the stress-life curve without modification, the prediction effect of the stress-life curve with the mean stress modification is significantly improved.

cast magnesium alloy AZ91D; low cycle fatigue; ratcheting behavior; mean stress

TG146.2；TG113.25

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.05.011

1673-2812(2017)05-0741-07

2016-07-17；

2016-08-22

中国博士后科学基金面上资助项目(2015M582523)，重庆市博士后科研项目资助项目(Xm2016061)，重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ1500624)，重庆工商大学科研启动经费资助项目(2014-56-10)

陈 凌(1979-)，男，高级工程师，博士，主要从事金属材料的疲劳、断裂与腐蚀研究。E-mail：chenling1618@126.com。