AZ31镁合金及其焊接接头的超高周疲劳性能

文献[45] 采用挤压态AZ31 镁合金，在做焊接及疲劳试验之前对挤压态镁合金实施去应力退火处理。为了避免镁合金样品在热处理期间燃烧及过分氧化，将镁合金热处理试样表面打磨光滑，并 釆用FeS 粉进行保护。

超高周疲劳试验均在日本岛津出产的 USF-2000 型超声疲劳试验机上进行，加载频率为20 kHz，应力比R 为-1，试验温度为25～30 °C，若试样加载循环数达到109周次仍未断裂，试样也将自动停止。超高周疲劳试验所用的母材和焊态试样的形状及尺寸如图6-42 所示。

图6-42　超高周疲劳试样尺寸

如图6-43 所示为挤压态镁合金的超高周疲劳曲线。从图中可以看出，合金在109周次内无疲劳极限存在，对应于周次的疲劳强度为90 MPa。研究指出，变形镁合金的疲劳比（σ/σb）—般为 0.25～0.5，疲劳比的值越大疲劳强度越高。试验中挤压态镁合金在109周次下的疲劳比为0.33，可见该合金的疲劳强度处于中等状态。

图6-43　挤压态AZ31 镁合金的超高周疲劳S-N 曲线

如图6-44 所示为挤压态镁合金的超高周疲劳断口形貌。如图6-44（a）和图6-44（b）所示为不同放大倍数下，疲劳源出现在表面的断口形貌，该试样在承受应力σ=95 MPa 时，断裂周次为8.7×108，属于超高周疲劳的断裂试样。从图6-44（b）中可以看出，由于表面晶粒的塑性变形，在断面形成滑移带。疲劳源区附近，是沿着晶界断裂，同时在晶粒内可以看到大量的孪晶。如图6-44（c）和图6-44（d）所示为不同放大倍数下，疲劳源出现在亚表面的断口形貌，该试样承受的载荷为100 MPa，断裂周次为2.8×107，属于高周疲劳的断裂试样，从图屮可以看出，裂纹在亚表面夹杂处萌生。(www.xing528.com)

如图6-45 所示为挤压态镁合金焊接接头的超高周疲劳S-N 曲线。可以看出，焊接接头试样在109周次内无疲劳极限存在，对应于109周次的疲劳强度为68 MPa，与母材相比，低了20 MPa 左右。由于试验中焊接接头采用的是光滑试棒，去掉了应力集中，所以与母材相比疲劳极限下降并不多。下降的原因是焊接残余应力和接头组织变化导致的。

图6-44　挤压态AZ31 镁合金的超高周疲劳断口形貌

图6-45　挤压态AZ31 镁合金焊接接头的超高周疲劳S-N 曲线

如图6-46 所示为挤压态AZ31 镁合金焊接接头的超高周疲劳断口形貌，可以看出，焊接接头的裂纹源明分为两种形式。如图6-46（a）和图6-46（b）所示为σ=80 MPa，N=2.4×107时疲劳断口形貌，从图6-46（b）中可以看出，裂纹源从表面萌生，裂纹源区颜色较暗，裂纹扩展区为灰白色，并逐渐变暗。如图6-46（c）和图6-46（d）所示为σ=72 MPa，N=6.5×108时疲劳断裂试样的断口形貌，可以看出，裂纹源在试样内部萌生，裂纹向四周发散。研究表明，疲劳裂纹源的产生主要是从内部的显微开裂和局部滑移开始的，如第二相、夹杂物引起的开裂、表面滑移带的开裂、晶界或者亚晶界的开裂等。

图6-46　挤压态AZ31 镁合金焊接接头的超高周疲劳断口形貌