简介概要

铒对Al-4.7Mg-0.7Mn-0.1Zr合金疲劳强度的影响

来源期刊：稀有金属2009年第5期

论文作者：黄晖王为张志军朱世旦

关键词：铒; 疲劳; Al3Er;

摘要：研究了Al-4.7Mg-0.7Mn-0.4Er-0.1Zr合金板材的室温高周疲劳性能,用升降法测试并计算出该合金在应力比R=0.1,循环寿命为1×107条件下的疲劳强度为293.6 MPa.用扫描电镜观察了疲劳试样断口的形貌特征,分析了疲劳裂纹产生的原因和疲劳断裂过程.用TEM观察了合金中析出相的形貌,分析了铒的存在形式.结果表明:添加铒以后,在合金内部形成了纳米级球形Al3Er粒子,合金的室温疲劳强度得到明显提高.

稀有金属 2009,33(05),611-615

铒对Al-4.7Mg-0.7Mn-0.1Zr合金疲劳强度的影响

黄晖王为朱世旦

北京工业大学材料科学与工程学院

摘要：

研究了Al-4.7Mg-0.7Mn-0.4Er-0.1Zr合金板材的室温高周疲劳性能, 用升降法测试并计算出该合金在应力比R=0.1, 循环寿命为1×107条件下的疲劳强度为293.6MPa。用扫描电镜观察了疲劳试样断口的形貌特征, 分析了疲劳裂纹产生的原因和疲劳断裂过程。用TEM观察了合金中析出相的形貌, 分析了铒的存在形式。结果表明:添加铒以后, 在合金内部形成了纳米级球形Al3Er粒子, 合金的室温疲劳强度得到明显提高。

关键词：

铒;疲劳;Al3Er;

中图分类号： TG115.58

作者简介：王为 (E-mail:wangwei@bjut.edu.cn) ;

收稿日期：2008-10-21

基金：国家“863”计划 (2007AA03Z514) 资助项目;

Influence of Erbium on Fatigue Behavior of Al-4.7Mg-0.7Mn-0.4Er-0.1Zr Alloy

Abstract：

The high cycle fatigue behavior of Al-4.7Mg-0.7Mn-0.4Er-0.1Zr alloy was studied by an up-and-down method. Fatigue strength of the alloy was determined as 293.6 MPa by the up-and-down method calculation under the condition of stress ratio R=0.1 and cycles N=1×107. The fatigue fracture morphology was examined by means of scanning electron microscopy (SEM) and the crack propagation process was also analyzed. Morphology of the precipitates was observed by TEM. Results showed that fine dispersion of spherical Al3Er nanometer particles appeared in the material and fatigue strength of the alloy with addition of proper amount of erbium was improved at room temperature.

Keyword：

erbium;fatigue;Al3Er;

Received： 2008-10-21

铝镁系合金属于中等强度合金, 热处理不可强化, 主要通过加工硬化和微合金化来提高合金的综合性能, 其突出特点是密度小, 比强度高, 具有良好的塑性、耐蚀性和焊接性。 5083是Al-Mg系合金中典型的一种, 耐蚀性好, 易于加工成型, 在国内外被广泛应用于模具制造、造船、汽车、航空等领域 ^[1,2,3] 。随着社会进步, 人类对材料性能要求越来越高, 铝合金也向着高强高韧的方向发展。聂祚仁等研究发现 ^[4,5,6,7] , 在5083合金基础上添加适量的铒后, 合金的强度、塑性、成型性得到显著提高, 耐腐蚀性能也优于传统的5083合金, 可制成较高强度的板材、管材、型材。

疲劳断裂是机械零件和工程构件破坏的最主要的形式, 铝合金的疲劳性能也受到越来越多的重视。 Roder和Watanabe等研究表明 ^[8,9] , 钪能提高铝镁合金的疲劳性能, 而有关铒对铝合金疲劳性能影响的研究目前则很少。本文采用升降法测量并计算了含铒铝合金在室温下, 循环寿命为1×10⁷条件下的疲劳强度, 分析了铒元素对合金疲劳性能的影响机制, 为进一步扩大铝合金的应用提供有效的试验数据。

1 实验

采用电磁半连续铸造制备了规格为200 mm×600 mm的合金铸锭, 合金成分见表1。铸锭经均匀化退火、热锻、热轧、中间退火、最后冷轧成1.5 mm厚的板材, 其中冷轧变形量为81.3%。

按照国标GB/T3075-1982, 试样加工为长205 mm, 宽40 mm, 厚1.5 mm的尺寸, 其形状示于图1。采用轴向拉-拉加载方式, 应力比R=0.1, 试验加载波形为正弦波, 频率为84 Hz。

表1 实验合金成分 (%, 质量分数)

Table 1 Compositions of researched alloy (%, mass fraction)

Al	Mg	Mn	Er	Zr
Balance	4.74	0.70	0.35	0.10

图1 疲劳试样示意图 (mm)

Fig.1 Draft of fatigue sample (mm)

2 结果

2.1 疲劳强度的计算

采用升降法可以较准确地计算出疲劳极限。升降法是在指定疲劳寿命下测定应力水平, 适用于长寿命区 (1×10⁶以上) ^[10] 。本文实验的循环寿命指定为1×10⁷, 应力比R=0.1, 频率为84 Hz。试样在未达到1×10⁷次之前发生断裂称之为“破坏”, 未断裂称之为“越出”。实验从高应力水平开始, 然后逐渐降低。

本文选取了如下应力水平: σ₀=350 MPa, σ₁=310 MPa, σ₂=300 MPa, σ₃=290 MPa, σ₄=280 MPa。在应力水平σ₀试验第一根试样, 该试样在1.9×10⁴次循环就发生了破坏, 于是第二根试样就在应力水平σ₂下进行试验。直到第三根试样, 在σ₃作用下经1×10⁷循环没有破坏 (越出) , 故第四根试样又在高一级的应力σ₂进行实验。照此推理, 凡前一根试样不到1×10⁷循环破坏, 则随后的一次试验就要在低一级的应力下进行; 凡前一根试样越出, 则随后的一次试验要在高一级的应力水平下进行, 直到完成全部实验为止。表2即是汇总的实验数据。

在本研究中, 处理升降法试验结果时, 将出现第一对相反结果以前的数据舍弃。如图2中的点2和点3是出现的第一对相反结果, 数据点1舍弃。而第一次出现相反结果的数据点2和3对应的应力平均值, 就是利用常规疲劳试验法得出的疲劳极限值。同样, 第二次出现相反结果的数据点4和5对应的应力平均值也相当于常规试验法得出的疲劳极限。如此, 把所有邻近出现相反结果的数据点都配成对6和7, 9和10, 11和12, 13和14。最后, 对于不能直接配对的数据点8和15, 也可以凑成一对, 总计共有7对。由这7对应力求得的7个疲劳极限取平均值, 即可作为合金在R=0.1、循环基数为1×10⁷下疲劳强度的精确值σ_0.1。

表2 轴向疲劳载荷实验数据

Table 2 Fatigue test results of researched alloy

Sample	σ_max/ MPa	Cycle, N	Sample	σ_max/ MPa	Cycle, N
1	350	1.9×10⁴	9	290	3.9×10⁶
2	300	1.0×10⁶	10	280	1.0×10⁷
3	290	1.0×10⁷	11	290	1.0×10⁷
4	300	1.0×10⁷	12	300	3.7×10⁵
5	310	4.9×10⁴	13	290	3.8×10⁶
6	300	4.0×10⁵	14	280	1.0×10⁷
7	290	1.0×10⁷	15	290	1.0×10⁷
8	300	4.2×10⁴

σ0.1=17[12(σ2+σ3)+12(σ4+σ5)+12(σ6+σ7)+12(σ9+σ10)+12(σ11+σ12)+12(σ13+σ14)+12(σ8+σ15)]=293.6MPa

通过上面的公式计算, 最后得出在应力比R=0.1, 循环寿命为1×10⁷条件下, 实验合金的疲劳强度为293.6 MPa。

2.2 实验合金的疲劳断口观察

本次实验过程中疲劳断裂在宏观上表现为没有明显塑性变形的突然断裂。典型的疲劳断口按照断裂过程有3个区域: 疲劳核心区, 疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区, 不同的区域具有不同的微观特征。在扫描电镜下, 对实验合金的疲劳断口形貌进行了观察。图3 (a) 为断口全貌, 断口也呈现3个不同区域, 其中1区为疲劳裂纹起源区, 2区为裂纹扩展区, 3区为瞬时破断区。

疲劳裂纹一般起源于零件表面应力集中或存在表面缺陷的地方, 如键槽, 过渡圆角等。若原材料内部有缺陷, 如夹杂, 气孔等, 也会成为裂纹源。另外, 晶界, 粗大的析出相等界面处也容易萌生微裂纹。图3 (b) 为疲劳裂纹源区 (1区) 形貌, 疲劳裂纹萌生于断口棱角处, 因为在循环载荷下该处应力集中较大。当裂纹尖端应力超过临界值时, 裂纹开始扩展。图3 (c) 是在图3 (a) 中箭头处发现的疲劳纹, 疲劳纹是疲劳裂纹扩展的典型特征, 每一条纹代表着一次载荷循环, 图中箭头所指方向即为该处疲劳裂纹扩展方向。图3 (d) 是疲劳裂纹稳定扩展区 (2区) 形貌, 主要呈现为类似解离的舌状显微组织特征。疲劳断裂是损伤积累的过程, 当裂纹扩展到一定程度后发生突然断裂。图3 (e) 是瞬时破断区形貌, 瞬时破断区的微观特征与静载荷下的拉伸断口相似, 主要由韧窝组成, 韧窝比较浅。

图2 升降法示意图

Fig.2 Sketch of fatigue load up and down of researched alloy

图3 实验合金疲劳断口形貌

Fig.3 SEM fatigue fracture-graph of Al-4.5Mg-0.7Mn-0.1Zr-0.4Er alloy

(a) Macroscopic feature; (b) Area 1: the area of crack initiation; (c) Area of the arrow; (d) Area 2: the area of crack propagation; (e) Area 3: the area of instant fracture

图4为疲劳断裂过程示意图。疲劳裂纹萌生于棱角, 箭头为疲劳裂纹扩展方向, 弧线为疲劳裂纹的前沿推进线, 图中阴影区为瞬时破断区。瞬时破断区所占面积比较大。

2.3 实验合金的TEM观察与分析

图5所示为实验合金透射电镜照片, 合金经冷轧变形后, 位错密度很高, 出现了大量的位错缠结, 如图5 (a) 所示。稀土铒加入到材料后, 除少部分固溶于基体外, 大部分以Al₃Er的形式在铸锭均匀化退火过程中析出。图5 (a) 中箭头所指为细小的球形Al₃Er粒子, 直径在10 nm左右, 由于材料中大量位错缠结, 更多的Al₃Er粒子隐藏在位错中, 不容易被观察到。图5 (b) 是位错密度相对较低的地方, 可以看到细小的球形Al₃Er粒子弥散分布在基体上。

图4 实验合金轴向疲劳应力作用下断口形态示意图

Fig.4 Schematic of the fatigue fracture

图5 实验合金透射照片 (a) Al3Er粒子钉扎位错, (b) 弥散分布的Al3Er粒子

Fig.5 TEM micrographs of experiment alloy (a) the dislocations pinned by Al₃Er (b) Al₃Er particles dispersive distributed

3 讨论

文献报道, AA5083深度热轧后, 240 MPa应力下, 试样循环1×10⁴后就已经发生了断裂 ^[11] , 5083H11状态试样在1×10⁴循环下的疲劳强度为250 MPa ^[12] 。 Al-Mg合金的疲劳强度是100～150 MPa (N=1×10⁷) ^[13] ; 1.6 mm厚5083H116状态板材在5×10⁸下的疲劳强度为160 MPa ^[14] 。铝合金一般没有明显的疲劳极限, 表示破坏应力和循环次数的S-N曲线的斜率在循环次数达1×10⁶上时几乎不在变化。所以, 一般将N=1×10⁷循环时的应力作为疲劳极限。当循环次数增加到1×10⁸, 疲劳强度仅降低10～20 MPa。

本文所研究铝合金的疲劳强度达到290.3 MPa (N=1×10⁷) , 与上述一些5083板材的实验结果相比, 有很大的提高, 这主要是因为铒的添加改善了合金的组织。铒作为一种微合金化元素加入到材料中, 除少部分固溶于基体外, 大部分以Al₃Er的形式从过饱和固溶体中析出, 经过透射电镜观察分析, 这些细小的球形粒子只有10 nm左右, 与基体共格, 且弥散分布在基体上, 当疲劳裂纹扩展时, 这些粒子成为裂纹扩展的障碍, 增加了裂纹扩展的阻力, 起到阻碍疲劳裂纹扩展的作用, 从而提高了材料的疲劳寿命。

铒可以细化晶粒, 起到增韧作用, Al₃Er粒子弥散分布, 能有效钉扎位错和晶界, 强化基体, 使材料的抗拉强度和屈服强度得到提高 ^[15] 。材料强度和韧性的提高, 使得在疲劳载荷下, 材料的抗应力应变能力得到增强, 其疲劳性能得到提高。

另外, Al-Mg合金中当Mg含量超过3%时, 会从基体中析出Al₂Mg₃相, 粗大的Al₂Mg₃在疲劳应力作用下容易与基体剥离, 从而萌生疲劳裂纹 ^[16] , 降低材料疲劳性能。添加铒以后, 铒可以优先与铝生成Al₃Er相, 从而抑制了Al₂Mg₃相的析出, 经过XRD检测和TEM观察, 材料内部并没有出现Al₂Mg₃相, 因而上减少了疲劳裂纹的萌生, 提高了合金的疲劳性能。