高温喷丸镁合金表层形变特征及抗疲劳机理探讨

利用高温条件下镁合金可承受比室温更剧烈的塑性变形，本研究提出高温喷丸镁合金，期望获得更强的表面强化效果。研究丸体喷击镁合金表面引发的非平衡剧烈形变特征：不同温度、丸体材料、喷丸强度、原始晶粒度大小、有无第二相等条件下表层喷丸组织结构演变规律，包括形变孪晶、高密度的位错反应和重组、沉淀相析出、动态回复和再结晶、晶粒长大和取向等；残余应力大小和分布；表面光洁度。测试不同状态镁合金试样的分层显微硬度和高周疲劳性能，获得优化的喷丸工艺。尝试研究高温喷丸镁合金表面剧烈塑性形变层的微细化组织、残余压应力、表面光洁度等与高周疲劳寿命的定量关系，探讨高温喷丸镁合金综合抗疲劳机理。研究结果可望为探索提高镁合金疲劳性能奠定理论基础和提供实践借鉴。

轻质镁合金运动零部件具有显著的减重效果，研究和提高其疲劳性能具有重要意义。首先搭建了一高温喷丸系统，对高压空气增加了加热系统，实现了室温到300℃范围的相对精确温控，然后系统研究了非稀土ZK60 和稀土GW103K 镁合金未喷丸、室温、高温喷丸表面形变层特征、S-N 高周疲劳曲线和强度，以及裂纹萌生、扩展和断裂规律，最后定性揭示了喷丸抗疲劳机理。典型研究结果有：（1）未经喷丸ZK60和GK103K镁合金疲劳裂纹主要萌生于表面挤压条带组织中的粗大晶粒区域，疲劳强度由疲劳裂纹萌生决定。挤压态和时效态ZK60合金107次疲劳强度分别为140和150Mpa，挤压态和时效态GW103K合金107次疲劳强度分别为150和165MPa；（2）高温和室温喷丸ZK60和GK103K镁合金疲劳裂纹均由表面转移到亚表面，裂纹主要沿解理面扩展或者剪切韧窝合并方式扩展，疲劳强度提高。最佳喷丸条件下挤压态和时效态ZK60合金疲劳强度分别为180和195MPa，挤压态和时效态GK103K合金疲劳强度分别为230和240MPa。（3）室温和高温喷丸时，随喷丸强度增加，ZK60和GW103K合金表面变形层深度、微观组织细化程度、显微硬度、残余压应力和表面粗糙度均增加。表层挤压织构显著弱化。相同条件下，高温喷丸所引起的变形更加剧烈，变形层深度增加，晶粒的细化程度更明显，高温喷丸较常温喷丸合金的疲劳强度高约20MPa。（4）弱织构GW103K合金比强织构ZK60合金具有更好的变形协调性、疲劳性能和喷丸强化效果。ZK60合金在拉压低周疲劳循环过程中存在典型的拉压不对称性和孪生-去孪现象；GW103K合金变形以位错滑移变形为主，无显著的拉压不对称性和孪生-去孪现象。（5）室温和高温喷丸强化表面和抗疲劳性能机理相似，喷丸引起合金变形层残余压应力、组织细化和显微硬度的增加有利于提高其高周疲劳性能，而表面粗糙度的增加不利于提高高周疲劳性能。表层的附加亚应力促使疲劳裂纹萌生源由表面转移到亚表面，且表层细晶组织可延缓裂纹扩展速率，从而提高镁合金抗疲劳性能。研究得到了公开报道的镁合金最高疲劳强度值，为提高其疲劳性能奠定了理论基础和提供了实践借鉴，已发表9篇国际期刊学术论文（8篇SCI收录），1篇国际会议论文，授权5个专利。培养博士1名、在读博士和硕士各1名，与牛津大学和内华达大学教授建立了合作关系。