Fatigue behavior and fatigue crack initiation micromechanisms of rolled AZ31 Mg alloy
Authors:   , Jamali SeyedAbbas 
Published: September 2024

Las aleaciones de Mg son populares en las industrias automotriz y aeroespacial debido a su ligereza y alta rigidez específica. Se utilizan en carcasas, cubiertas, piezas de acabado y secciones de carga, y como resultado, su comportamiento ante la fatiga es crítico para su rendimiento óptimo. Estudios anteriores sobre el comportamiento de la fatiga de las aleaciones de Mg no proporcionaron un análisis estadístico confiable del efecto de los mecanismos de deformación dominantes, incluyendo el deslizamiento basal, el maclado/desmaclado y el deslizamiento piramidal, en la iniciación de grietas de fatiga. Además, utilizar esta información para predecir la vida útil de la fatiga de las aleaciones de Mg a partir de los parámetros indicadores de fatiga aún no ha sido explorado.

En este trabajo se estudió el comportamiento de la fatiga de una aleación de Mg AZ31B-O con fuerte textura basal sometida a deformación cíclica totalmente invertida a lo largo de las direcciones de laminación, normal y a 45º entre las direcciones de laminación y normal a Δɛ/2 = 0.4%, 0.8% y 2%. Las muestras fueron deformadas en tres orientaciones que condujeron a curvas de esfuerzo-deformación cíclicas simétricas y no simétricas debido a la activación de diferentes mecanismos de deformación. Se realizaron pruebas de fatiga interrumpidas para obtener resultados estadísticamente significativos sobre los mecanismos de deformación e iniciación de grietas de fatiga. Los resultados mostraron que las grietas de fatiga más dañinas se nucleaban a lo largo de las maclas en granos grandes si los mecanismos de deformación dominantes eran el deslizamiento basal y el maclado/desmaclado a tracción. Además, las grietas de fatiga más largas se nucleaban a lo largo de bandas de deslizamiento piramidal en granos grandes si los principales mecanismos de deformación eran el maclado/desmaclado a tracción y el deslizamiento piramidal. Las grietas en los límites de grano alrededor de los granos pequeños estaban presentes pero no eran críticas para la falla por fatiga.

En paralelo, se simuló la respuesta mecánica de la aleación de magnesio AZ31 mediante homogeneización computacional en tres orientaciones. Se utilizó un modelo fenomenológico de plasticidad cristalina para modelar el comportamiento de los granos de Mg, teniendo en cuenta el deslizamiento basal, prismático y piramidal (incluyendo endurecimiento isotrópico y cinemático) y el maclado. Los parámetros del modelo se calibraron utilizando las curvas de esfuerzo-deformación cíclicas a diferentes amplitudes y orientaciones de deformación cíclica. Las simulaciones numéricas se utilizaron para comprender los mecanismos de deformación dominantes y predecir la vida útil de la fatiga a través de un parámetro indicador de fatiga basado en la acumulación de deformación plástica por distintos mecanismos en cada ciclo de fatiga.

ABSTRACT

Mg alloys are popular in automotive and aerospace industries due to their lightweight and high specific stiffness. They are used in casings, housings, trim pieces, and load-bearing sections, and as a result, their fatigue behavior is critical for their optimal performance. Previous studies on the fatigue behavior of Mg alloys did not provide a reliable statistical analysis of the effect of dominant deformation mechanisms, including basal slip, twinning/detwinning, and pyramidal slip, on fatigue crack initiation. Additionally, using this information to predict Mg alloys' fatigue life based on fatigue indicator parameters is still unexplored.

In this work, the fatigue behavior of a textured AZ31B-O Mg alloy subjected to fully-reversed cyclic deformation along the rolling, normal, and 45º between rolling and normal directions at Δɛ/2 = 0.4%, 0.8%, and 2% was studied. Samples were deformed in three orientations leading to symmetric and non-symmetric cyclic stress-strain curves due to the activation of different deformation mechanisms. Interrupted fatigue tests were conducted to obtain statistically significant results about deformation and fatigue crack initiation mechanisms. Results showed that the most damaging fatigue cracks were nucleated along twins in large grains if the dominant deformation mechanisms were basal slip and tensile twinning/detwinning. Moreover, the longest fatigue cracks were nucleated along pyramidal slip bands in large grains if the main deformation mechanisms were tensile twinning/detwinning and pyramidal slip. Grain boundary cracks around small grains were present but not critical for fatigue failure.

Furthermore, the AZ31 magnesium alloy's mechanical response was simulated through computational homogenization in three orientations. A phenomenological crystal plasticity model was used to model the behavior of the Mg grains, accounting for basal, prismatic, and pyramidal slip (including isotropic and kinematic hardening) and twining. The model parameters were calibrated using the cyclic stress-strain curves at different cyclic strain amplitudes and orientations. Numerical simulations were used to understand the dominant deformation mechanisms and to predict the fatigue life through a fatigue indicator parameter based on the accumulated plastic shear strain in each fatigue cycle as a result of the different deformation mechanisms.