不同介质对AZ31镁合金疲劳行为的影响

高树峰,卫英慧,,贺秀丽,侯利锋,郭春丽

(1.吕梁学院,山西 吕梁 033000;2.太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 030024)

不同介质对AZ31镁合金疲劳行为的影响

高树峰1,卫英慧1,2,贺秀丽2,侯利锋2,郭春丽2

(1.吕梁学院,山西 吕梁 033000;2.太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 030024)

通过疲劳试验、扫描电子显微镜(SEM)等手段,研究挤压态镁合金AZ31在空气w(NaCl,Na2SO4)=3.5%2种溶液中的疲劳行为。结果表明,合金在两种腐蚀介质下的疲劳性能明显下降,分别为58.91%和34.40%。腐蚀介质下,疲劳裂纹萌生机制的改变是镁合金疲劳性能下降的主要原因。Cl-穿透能力强,易形成点蚀坑,成为最佳萌生源。相比之下,Na2SO4溶液中的腐蚀类型改变和危害性也较小。

挤压镁合金;NaCl溶液;Na2SO4溶液;疲劳

镁合金作为最轻的金属材料具有良好的延展性和切削加工性能、高的比强度和比刚度、易于回收加工等一系列优点,被广泛应用于交通、航空航天等领域。疲劳性能是衡量材料力学性能的重要指标之一。当前,应用场合的扩展,服役环境日趋复杂,再加上镁的化学性质活泼,极易发生化学反应,耐蚀性差,因此,不同环境下镁合金疲劳性能的研究显的尤为迫切和重要。

近年来,国内外研究者已开展了一些有关镁合金在腐蚀介质下疲劳性能的研究。其中,以镁合金NaCl环境下腐蚀疲劳性能的研究居多。国内,曾荣昌等人[4-6]研究了挤压镁合金AZ80和AM60在NaCl溶液中的腐蚀疲劳性能,分析得出,两种合金在腐蚀介质下的疲劳性能明显下降,主要原因在于疲劳裂纹萌生机制的不同。刘马宝等人[7]也对压铸镁合金AM50HP和AZ91HP在NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为,结果表明压铸缺陷是疲劳裂纹主要萌生源。国外,研究者对挤压和轧制态镁合金AZ31[8-9]、压铸态镁合金AZ91D、AM50和ZK60[10-11]在NaCl溶液中的疲劳行为也进行了研究,研究认为镁合金的成型工艺、显微组织形貌等都对镁合金的腐蚀疲劳性能有一定影响。Chamos et al[12]研究了在盐雾环境下腐蚀一定时间的轧制AZ31镁合金的腐蚀疲劳性能,其疲劳极限降幅达50%。除了NaCl环境Shahnewaz et al[14]在不同湿度环境下研究了挤压镁合金AZ61的腐蚀疲劳性能,并与NaCl环境下进行对比分析,得出试样的疲劳极限在低湿度、高湿度、NaCl环境下依次降低,后两者对材料疲劳性能的影响更高。这与Khan et al[15]的研究结论一致。为了考察湿度的影响,Masaki et al[16]研究了空气和去离子水介质下轧制镁合金AZ31和挤压镁合金AZ61的裂纹扩展行为,虽然空气比腐蚀介质下的裂纹扩展速率稍低,但是两者很接近。此外,Eliezer et al[17]研究了传动油和自然矿物油对压铸AZ91和AM50棒材镁合金腐蚀疲劳影响的影响,研究表明,油环境下,材料的疲劳性能与空气中接近,相对来说,自然矿物油的影响稍低。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料选用棒状挤压镁合金AZ31,其成分见表1,试样形状及尺寸如图1所示。

表1 试验用镁合金AZ31化学成分(质量分数)

图1 镁合金AZ31疲劳试样尺寸(mm)

1.2 实验方法及设备

本实验采用PLG-200D型高频拉-压疲劳实验机,加载频率99.0～102.0 Hz,应力比为0.1。实验过程中,试样始终浸蚀于w(NaCl,Na2SO4)=3.5%溶液中,空气(室温)环境下的试验为参比试验。笔者认为当试样疲劳达到1×107次循环次数未发生断裂时,试样所承载的疲劳载荷为材料在该环境下的疲劳极限,此时,实验被手动停止。或者试样未达到1×107次循环次数即发生断裂,则疲劳试验机会自动停止。

2 实验结果

2.1 疲劳实验数据分析

根据ISO 12107:2012疲劳实验处理方式,采用origin软件,通过双对数处理,拟合分析AZ31镁合金在空气、w(NaCl,Na2SO4)=3.5%环境下最大疲劳加载应力与相应循环次数间的关系曲线(S-N曲线)。如图2所示,与空气环境下相比,AZ31镁合金在w(NaCl,Na2SO4)=3.5%环境下的疲劳性能明显恶化。以NaCl环境下,疲劳极限的降低尤为严重。试样在空气、w(NaCl,Na2SO4)=3.5%环境下的疲劳极限分别为:163.89 MPa，67.35 MPa和107.51 MPa。可以看出,虽然在Na2SO4环境中,AZ31镁合金的腐蚀疲劳极限下降率稍低于NaCl环境中的,但是相比于空气中还是下降了34.40%,其影响不容忽视,具有重要研究价值。实际工程应用中,大量工程应用机械设备及交通工具等都需要放置于露天环境中,如果因为外界环境(酸雨)的影响使设备的安全使用性能无法保证,着实令人惋惜。

图2 AZ31镁合金不同环境下S-N曲线分析

如表2所示为不同环境下,AZ31镁合金S-N曲线相关参数统计结果。a和b分别为相应环境下S-N曲线的截距和斜率。R为相关参数,是曲线数据离散程度的重要评估参数。相关参数R越接近1,则曲线拟合程度越好。可以看出,三个S-N曲线拟合程度差不多,均较好。

表2 AZ31镁合金不同环境下S-N曲线相关参数

2.2 腐蚀特征

如图3所示，试样在空气中(图3-a)不发生腐蚀,试样边缘光滑。在NaCl溶液中(图3-b)发生了严重的点蚀,点蚀坑尺寸在交变载荷作用下不断聚集长大,其是疲劳裂纹萌生最佳位置。Na2SO4溶液与AZ31镁合金的腐蚀类型与NaCl溶液的明显不同,试样在Na2SO4溶液中(图3-c)并未发生点蚀,试样边缘出现一薄层断断续续的腐蚀层,并没有沿径向局部扩张现象,可以认为是均匀腐蚀,这表明硫酸根离子的侵蚀性弱于Cl-,与腐蚀疲劳试验结果相吻合。

2.3 疲劳断口特征

如图4所示,具备了疲劳裂纹萌生、扩展、瞬断三个典型区域。空气和Na2SO4环境下,试样疲劳裂纹萌生于光滑近表面,如图4-a和4-c(椭圆区域),与上述镁合金在Na2SO4溶液中均匀腐蚀特征相符。但NaCl溶液不同,疲劳裂纹明显源自点蚀坑(图4-b椭圆区域),与文献[8-11]描述一致。另外,从三种环境下的疲劳断口还可以看到明显的扇形花样,具有二次裂纹、解理台阶等解理断裂的重要特征[18-19]。综上所述,腐蚀环境对AZ31镁合金腐蚀疲劳性能的影响主要体现于裂纹萌生阶段,对裂纹扩展方式和材料断裂类型的影响不大。

图3 疲劳棒状试样在不同环境下的横截面腐蚀形貌:(a)空气,200 MPa;(b)NaCl溶液,100MPa;(c)Na2SO4溶液,125 MPa

图4 AZ31镁合金在不同环境下的腐蚀疲劳断口:(a)空气,200 MPa;(b)3.5% NaCl溶液,100 MPa;(c)3.5 wt.% Na2SO4溶液,125 MPa

3 讨论

与空气中相比,AZ31镁合金在Na2SO4溶液中的疲劳极限降幅达34.4%。而在NaCl溶液环境下,疲劳极限下降尤为恶劣,降幅达一半以上,58.91%。这主要是由于虽然NaCl溶液和Na2SO4溶液与AZ31镁合金的基本腐蚀机理相同,如下公式所述反应公式[20],但是其反应速度不同。

阳极反应: Mg→Mg2++2e,

(1)

阴极反应: 2H2O+2e→H2+2OH-,

(2)

腐蚀产物: Mg2++2OH-→Mg(OH)2,

(3)

总反应: Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2.

(4)

Cl-半径小,穿透能力强,已形成点蚀坑。与Mg(OH)2发生反应生成MgCl2加速总反应式向溶解方向移动,加速化学反应的进行。相对来说,SO42-半径大,侵蚀性较弱,但其在整个溶液中的迁移率高,分布均匀,可以较均匀吸附于镁合金表面,形成均匀腐蚀,危害性相对较小。这与图3观察到的腐蚀现象相同。

上述分析表明Cl-和SO42-侵蚀性和腐蚀特征的明显不同,这与图4中AZ31镁合金在两种环境下的形成点蚀坑和相对光滑的疲劳裂纹萌生源相吻合,而裂纹扩展区均展现解理断裂特征。这表明腐蚀介质不会改变AZ31镁合金疲劳裂纹的扩展方式,则其疲劳性能的恶化主要是由于疲劳裂纹萌生机制的转变。在周围腐蚀介质和疲劳交变载荷的作用下,AZ31镁合金一旦与NaCl和Na2SO4环境相接触,迅速发生腐蚀反应在试样表面形成腐蚀产物膜,但在交变载荷、Cl-和SO42-的作用下,试样表面腐蚀产物膜不断被撕裂、破坏,使更多的腐蚀溶液扩散进入,降低试样的腐蚀疲劳寿命。相对于Na2SO4环境下形成的均匀腐蚀层沿试样径向层层推进,NaCl溶液在基体表面形成的点蚀坑更容易产生应力集中。再加上交变载荷的作用,点蚀坑不断聚集合并长大,一定尺寸时,疲劳裂纹便萌生和扩展,NaCl溶液对AZ31镁合金的腐蚀疲劳性能影响更大。而SO42-的均匀腐蚀相对局部腐蚀(点蚀)而言,危害性小得多,临界尺寸的形成需要时间较长,这无形之中为构件延长了服役时间,提高了材料的疲劳寿命。但要想完全消除SO42-的影响,则需要通过进行一定表面处理进行改善,这点有待进一步研究探讨。

4 结论

1)NaCl溶液和Na2SO4溶液对AZ31镁合金腐蚀疲劳性能有重要影响,疲劳极限分别下降58.91%和34.40%。但与空气中相比,材料的疲劳性能均恶化,硫酸根离子的影响不容忽视。

2)AZ31镁合金在NaCl溶液和Na2SO4溶液中的腐蚀特征不同,前者属于点蚀,后者为均匀腐蚀,是AZ31镁合金在不同环境下腐蚀疲劳裂纹萌生机制改变的主要原因。

3)在交变载荷作用下,AZ31镁合金在NaCl环境下形成的点蚀坑不断聚集长大,一定尺寸时,疲劳裂纹萌生、扩展,直至试样断裂失效,其危害性要大于SO42-。而SO42-与AZ31镁合金发生均匀腐蚀,疲劳裂纹形核源需要较长时间长至临界尺寸,一定程度上延缓了试样的疲劳断裂。

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(编辑：刘笑达)

Effect of Different Environments on the Fatigue Behavior of AZ31 Magnesium Alloy

GAO Shufeng1,WEI Yinghui1,2,HE Xiuli2,HOU Lifeng2,GUO Chunli2

(1.LüliangCollege,Lüliang,Shanxi033000,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

The fatigue behavior of extruded AZ31 magnesium alloy in air,w(NaCl,Na2SO4=3.5%) solutions was studied by using fatigue test and scanning electron microsropg.The fatigue properties of AZ31 magnesium alloy in the two corrosive encironments were reduced by 58.91% and 34.40%,respectively.In the corrosive environments,the change of the fatigue crack initiation mechanism is the main reason for the reduction of fatigue properties.CI-has strong penetration capacity and is easy to form corrosion pits on the specimen surface,which become the best crack initiation source.Comparatively,the corrosion type change in Na2SO4solution and the harmfulness are smaller.

extruded magnesium alloy;NaCl solution;Na2SO4solution;fatigue

2014-11-07

国家自然科学基金资助项目：金属材料表面合金层原位形成过程中同步扩散行为的研究(51001079，21201129，51208333，513741511)；山西省自然科学基金资助项目(201101102002)；中国博士后科学基金(20100471586)；高等学校博士点专项科研基金(20091402110010)的支持

高树峰(1965-)，男，山西临县人，副教授，主要从事材料学研究，(Tel)13834351903

1007-9432(2015)01-0045-04

TG172.9

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.009