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铸造镁合金疲劳研究现状

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：吕俊杰崔岩峰

[导读] 随着经济和科技水平的快速发展，加工工艺不同，可将镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金；根据应用领域不同，将镁合金分为通用镁合金和特殊镁合金。

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摘要：随着经济和科技水平的快速发展，加工工艺不同，可将镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金；根据应用领域不同，将镁合金分为通用镁合金和特殊镁合金。本课题主要将现有铸造通用镁合金和铸造特殊镁合金的高周、低周疲劳性能及拟合参数进行总结，为铸造镁合金的工程应用以及后续的铸造镁合金疲劳性能的进一步研究提供参考。
关键词：铸造镁合金；疲劳性能；疲劳裂纹；强化方法
        引言：镁合金是目前应用的密度最小的金属结构材料，在航空航天的轻量化方面有很好的应用前景。随着应用技术与要求的提高，在车辆应用方面，镁合金在减重节能和性能提升中的作用愈发受到重视，采用镁合金零件将是未来车辆制造业的重要发展方向。然而，当镁合金构件应用于车辆和飞机时，在长期服役过程中会承受动态载荷，往往在低应力条件下发生失效破坏，常规静态力学性能并不能准确衡量其服役的安全性和可靠性。因此，研究镁合金的高周疲劳行为对于评价和提升其服役性能具有重要意义。
        1熔模铸造特点
        熔模精密铸造可得到力学性能与普通铸造相当且表面品质和尺寸精度更高的铸件。尤其对于大型、复杂的薄壁铸件，熔模铸造有其独特的优势。熔模制造工序包括蜡模压制、模组组焊、消脂、制壳、脱蜡焙烧、熔炼浇注、清壳打磨精整及无损检测等工序。熔模铸造具有以下优点。（１）适合生产结构复杂的铸件。　对于结构复杂的铸件，普通的铸造方式很难进行整体设计，开模困难；而熔模铸造可将蜡模分别压制，再组焊连接成一个整体，熔蜡后进行整体浇注。再结合快速成形技术如３Ｄ打印可进行大尺寸、复杂结构铸件的蜡模制作，以及模拟仿真技术对金属液充型过程进行模拟从而有效预测铸件中可能存在的浇不足、缩松、偏析等问题，根据预测结果改进设计方案，缩短了改进流程和时间，熔模精密铸造与这两种技术相结合进一步提高了生产效率，降低设计开发新产品的成本和时间。（２）熔模铸造可近净型成形。熔模铸件尺寸精度高，表面品质好，铸件棱角清晰，尺寸精度可达ＣＴ４-６，表面粗糙度Ra可达3.2μm。熔模铸造生产出的铸件接近成品要求，加工量小或不需要加工。（３）适合各种薄壁、复杂铸件的生产。随着新工艺、新材料的不断发展，熔模铸造的铸件壁厚可小至0.5mm，孔径可小至1mm以下。质量最小可至1g，最大可达1000kg，外形尺寸可达2000mm以上。目前应用于航空航天领域的铸件趋于精密化、轻量化、整体化、近净成形，镁合金采用熔模精密铸造工艺既可以实现轻量化又可以满足航天航空零部件的高要求。
        2常用铸造镁合金的疲劳性能
        2.1铸造镁合金疲劳裂纹萌生机制
        微观裂纹形成之后，扩展、长大为宏观裂纹，一般将微观裂纹长大到0.05-0.1mm长的所用时间定义为裂纹萌生期。目前，可以确定的是当铸造镁合金表面或内部含有较多铸造缺陷时，这些铸造缺陷会引起应力集中，进而诱发疲劳裂纹萌生。研究发现，诱发铸造镁合金疲劳裂纹形核的主要因素是其表面或者亚表面的气孔、夹杂和缩松等铸造缺陷；也有研究表明，当试样内部的冶金缺陷比较严重时，由于缺陷处存在严重的应力集中，进而会在试样内部的缺陷处萌生裂纹。
        2.2疲劳断口形貌
        裂纹在材料表面附近萌生后呈扇形逐渐向材料内部扩展。当疲劳裂纹扩展到外加载荷大于样品剩余面积所能承受的最大应力时，试样发生断裂形成断裂失稳区。由于循环应力幅值的不同，试样疲劳断口形貌也有所区别。当应力较小时，裂纹扩展速度较慢，并且在达到最后一次拉伸断裂时，剩余的未扩展区较小，即断裂失稳区较小；当循环应力较大时，裂纹尖端应力场强度因子幅值?K 增大，裂纹扩展速度较快，因此，裂纹扩展区的面积较小，而断裂失稳区的面积较大。

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为了进一步揭示疲劳破坏机理，在合金的裂纹萌生区可以观察到大量的片层状结构，研究认为这种片层状结构与循环加载中镁合金的孪生?退孪生变形机制有关。发现裂纹扩展区呈现穿晶断裂特征，形成众多解理面，像静态拉伸断裂一样是在短时间内的瞬间断裂，因此断裂失稳阶段在整个疲劳周期中所占的比例较小。
        2.3阳极氧化
        阳极氧化是一种有效的腐蚀防护技术，已经广泛应用于为铝、钛和镁合金等基体材料的腐蚀防护。在阳极氧化技术中，被处理的部件被浸入一种特殊配制的阳极氧化溶液里，并通过施加电流在基体金属表面强制产生氧化膜，从而起到防护作用。例如，在ZM21镁合金上形成的阳极涂层是在含有氟化氢铵、重铬酸钠和磷酸的溶液中产生的。在高湿度、高温、热循环试验和热真空试验中，阳极氧化形成的氧化膜往往都具有很高的稳定性、耐蚀性和耐磨性。镁合金阳极氧化技术制备的防护涂层主要存在的问题是由于合金中相分离而导致的电化学不均匀性，已有研究发现AZ91D镁合金经氧化处理后，表面能观察到多孔表面形貌，形成的主要原因是晶界和表面孔隙中积聚了金属间化合物Al-Mg颗粒。另一个问题是，阳极氧化涂层对于承载应用可能达不到所要求的机械性能，比如氧化镁薄膜在镁表面的起球比仅为0.81，说明较厚的氧化膜在拉伸时容易开裂，无法提供有效的保护。此外，阳极氧化技术有可能在处理过程中由于表面局部加热而损坏基底金属的疲劳强度，从而导致阳极氧化镁合金表面性质的不均匀，并且降低其力学性能。
        2.4熔体搅拌法
        液态金属的搅拌（机械搅拌，电磁搅拌或超声处理）在固化之前或期间可以细化材料的晶粒尺寸。搅拌过程的主要优点是无需添加任何合金元素或晶粒细化剂颗粒即可实现晶粒细化。在机械或电磁搅拌方法中，晶粒细化效果是由枝晶尖端断裂或液态金属内部非金属颗粒的均匀分布引起的。然而，由超声波处理引起的晶粒细化具有其他原因。当超声波达到一定功率时，会导致液态金属内部出现空腔，即空化现象，这些空腔对固化金属的微观结构有非常重要的影响。目前，超声波处理导致金属晶粒细化的理论分析有两类。第一类认为熔体内部形成的空腔在超声场的压力阶段塌陷，空腔坍塌产生的冲击波会导致枝晶尖端断裂，并且这些碎片成为新的形核核心，从而导致金属细化；第二类认为空腔的塌陷会提高异质形核率，这一类理论主要基于3种机制：①空腔塌陷产生的压力会增加金属的熔点，导致较高的过冷度，从而提高异质形核率；②空腔塌陷产生的压力导致非金颗粒被被液态金属润湿，增加异相成核速率；③腔体内气体的快速绝热膨胀，会在腔-液界面处使液态金属过冷，从而导致形核。
        2.5引入新方法和新技术
        目前，疲劳试验都是通过对疲劳前和疲劳后的试样组织进行分析与评价，结合疲劳断口形貌，进而推断疲劳过程中的组织变化和疲劳裂纹的萌生和扩展机理。也有少数试验用光学显微镜或扫描电镜实时观察疲劳试验过程中试样组织变化和裂纹萌生以及扩展情况。镁合金的疲劳行为与显微组织密切相关，而循环加载过程是动态的受力过程，合金的显微组织在疲劳过程中也会不断改变，所以，未来通过引入更多新方法和新技术，实现对疲劳过程中合金的显微组织演化、疲劳裂纹萌生和扩展行为更好的实时跟踪观察，更真实地了解和掌握镁合金疲劳过程，完善镁合金疲劳裂纹萌生、扩展和铸件疲劳断裂的理论。
        结语
        镁合金优异的性能和丰富的资源储备使其在航空航天领域有着广泛的应用前景。经过近百年的发展，已开发了多种航天航空用系列镁合金，并应用于多种军事以及民用航空飞行器零部件中。断裂失稳区断口以解理断裂面和少量韧窝形貌为特征；整个疲劳断口附近均存在大量平行排布的针状孪晶，应力越大，孪晶层内单个晶粒内的针状孪晶的数量更多且间距更小。断口附近孪晶层的厚度随应力的增加而减小。
参考文献
[1]宋雨来,刘庆,王海洋.挤压镁合金腐蚀与防护研究进展[J].表面技术,2020,49(5):112-119.
[2]尹鹏跃,张嘉璐,王云乐,等.增强镁合金耐磨性研究方法的总结[J].科技创新导报,2018,12(3):24.