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铸造镁铝合金疲劳与失效行为的实验研究

作　者: 吴必胜
导　师: 王习术
学　校: 清华大学
专　业: 固体力学
关键词: SEM原位观测疲劳寿命评价有限元分析疲劳小裂纹疲劳断裂机理
分类号: O346.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 445次
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内容摘要

随着航天航空及汽车工业轻量化、节能化和环保化的必然趋势,承载交变载荷的镁铝合金构件越来越多的使用,引起了人们对其疲劳性能的研究兴趣。本文主要研究铸造镁铝合金显微疲劳失效行为和断裂机理,考虑各种因素（如微观结构、加载方式、外部环境）对镁铝合金疲劳行为的影响,最后定量地评价了镁铝合金疲劳微小裂纹扩展速率和疲劳寿命。本次研究利用带有高清晰度扫描电子显微镜（SEM）的液压伺服疲劳试验机,分别对铸造 AM50、AM60、AZ91 镁铝合金的光滑和带缺陷（小孔或缺口）试件进行了原位观测疲劳实验。通过拉伸实验及对镁铝合金微观组织的观察发现镁铝合金微观结构对其力学性能有很大的影响。尺寸于 5-50 μm 范围内时,α -Mg晶粒越小、分布越均匀,则合金强度越高;第二相组织( β -Mg₁₇Al₁₂相)体积含量的增加以及网状的空间分布,同时提高了材料的强度和脆性。通过在常、高温下对试件疲劳微小裂纹演化情况的原位观察试验,发现在常温下,由于 β -Mg₁₇Al₁₂相结合强度较低且脆性较强,断裂以沿晶界面为主;在高温下,由于 β -Mg₁₇Al₁₂界面变软, α -Mg晶粒与晶界的变形协调性基本一致,因此,断裂以穿晶为主。微观结构很大程度上影响了微小裂纹的萌生与初始扩展,而外加载荷则决定了微小裂纹的稳态扩展阶段。通过分析知道,随着应力的提高,一对斜孔试件,孔与孔对断裂微小裂纹扩展的路径的影响变大。从断口分析可以知道,镁铝合金的疲劳失效机理有解理断裂、空洞聚集以及混合机理三种方式。并且在高温下,镁铝合金断裂方式有从解理向准解理转变的趋势。本文还对小孔在循环载荷下对应力分布的影响进行了有限元模拟与分析。本文中一个重要的工作就是通过在高温下对微小裂纹扩展的观察,然后基于微小裂纹扩展规律建立起了疲劳微小裂纹扩展速率及寿命预测公式。实验结果表明,在一定的温度下,微小裂纹扩展速率 dl /dN 是 σ_maxⁿ和微小裂纹长度 l的函数,其中指数 n与温度成一定的线性关系。

全文目录

第1章引言  9-16
  1.1 课题背景及意义  9-12
    1.1.1 镁及镁合金的性能特点  9
    1.1.2 镁合金的工业应用  9-12
  1.2 镁合金研究进展  12-15
    1.2.1 镁合金的加工工艺  12-13
    1.2.2 镁合金的发展方向  13-14
    1.2.3 镁合金疲劳性能的研究现状  14-15
  1.3 本文研究方法及论文安排  15-16
第2章铸造镁铝合金疲劳失效的实验研究  16-54
  2.1 实验装置及试件的准备  16-18
    2.1.1 扫描电子显微镜(SEM)工作原理  16-17
    2.1.2 扫描电子显微镜原位观测方法优点  17
    2.1.3 试件的准备及实验方法  17-18
  2.2 铸造 AM50 镁铝合金的疲劳实验研究  18-32
    2.2.1 常温下铸造AM50 镁铝合金疲劳失效行为  18-23
      2.2.1.1 试件的准备  18-19
      2.2.1.2 铸造AM50 合金试件疲劳裂纹的萌生  19-20
      2.2.1.3 铸造AM50 合金试件疲劳裂纹的扩展  20-23
    2.2.2 高温下温下铸造AM50 镁铝合金疲劳行为  23-32
      2.2.2.1 试件的准备及实验方法  23-24
      2.2.2.2 温度对表面疲劳裂纹萌生的影响  24-25
      2.2.2.3 裂纹开口位移与循环次数的关系  25-26
      2.2.2.4 温度对疲劳寿命的影响  26-27
      2.2.2.5 缺口尺寸和氧化对疲劳寿命的影响  27-28
      2.2.2.6 基于Paris 公式疲劳了文生长速率评价  28-29
      2.2.2.7 基于小裂纹规律的疲劳裂纹生长速率的评价  29-32
  2.3 铸造 AM608 镁铝合金的疲劳失效的实验研究  32-51
    2.3.1 常温下铸造AM608 与AM50 合金微观结构的比较  32-33
    2.3.2 带双边缺口铸造AM608 镁铝合金疲劳失效  33-39
      2.3.2.1 试件的准备及实验方法  33
      2.3.2.2 缺口根部疲劳裂纹的萌生  33-36
      2.3.2.3 铸造AM608 镁铝合金多个小裂纹生长的减速  36
      2.3.2.4 铸造AM608 镁铝合金表面缺陷对裂纹萌生的影响  36-38
      2.3.2.5 铸造AM608 镁铝合金小裂纹生长行为对定量评价的影响  38-39
    2.3.3 带小孔铸造AM608、AZ91D 合金裂纹的萌生与扩展  39-51
      2.3.3.1 铸造AM608、AZ91D 镁铝合金静态拉伸实验的比较  39-44
      2.3.3.2 带两小孔AM608 镁铝合金疲劳裂纹生长行为  44-51
  2.4 本章小结  51-54
第3章铸造镁铝合金疲劳断裂断口分析  54-66
  3.1 本章引言  54
  3.2 断口观察设备及试样准备  54
  3.3 铸造镁铝合金拉-拉疲劳断裂断面观察  54-65
    3.3.1 铸造镁铝合金宏观断口形貌及断裂模式  54-58
      3.3.1.1 AM50 和AM608 合金试件断裂模式的比较  54-56
      3.3.1.2 加载模式对断口形貌的影响  56-57
      3.3.1.3 真空与空气中疲劳断裂断口形貌  57
      3.3.1.4 温度对疲劳断裂断口宏观形貌的影响  57-58
    3.3.2 铸造镁铝合金断口微观形貌及断裂机理  58-62
      3.3.2.1 滑移与解理  58-60
      3.3.2.2 空洞聚集  60-62
      3.3.2.3 混合机理及准解理断裂  62
    3.3.3 从断口看镁铝合金疲劳裂纹的萌生与扩展  62-65
  3.4 本章小结  65-66
第4章铸造镁铝合金裂纹萌生与扩展的有限元模拟  66-77
  4.1 有限元模型  66-67
    4.1.1 材料属性  66
    4.1.2 边界载荷  66-67
    4.1.3 试件缺口的几何特性及边界条件  67
  4.2 应力集中系数  67-71
    4.2.1 静载荷下试件的应力集中系数(SCF)  67-69
    4.2.2 动载下试件的应力变化与分布  69-71
  4.3 裂纹扩展行为的模拟  71-76
    4.3.1 单边缺口试件裂纹扩展行为的模拟  71-73
      4.3.1.1 单条裂纹的扩展行为  71-72
      4.3.1.2 多条裂纹的扩展行为  72-73
    4.3.2 双边缺口试件裂纹扩展行为的模拟  73-76
      4.3.2.1 单条裂纹的扩展行为  73-74
      4.3.2.2 多条裂纹的扩展行为  74-76
  4.4 本章小结  76-77
第5章全文总结  77-79
  5.1 研究总结  77-78
  5.2 需进一步开展的工作  78-79
参考文献  79-83
致谢与声明  83-84
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  84

铸造镁铝合金疲劳与失效行为的实验研究

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