电解低钛铝基合金制备的ZL108合金疲劳性能与断裂韧性研究

论文摘要

ZL108合金是一种常用的活塞合金，国家标准中并没有要求含钛元素。为系统地研究加钛和不同的加钛方式对ZL108合金疲劳性能和断裂韧性的影响，以电解低钛铝基合金和A1-Ti中间合金为原材料，采用相同的试验条件，分别制备ZL108合金、电解加钛ZL108合金（记作ZL108D）和熔配加钛ZL108合金（记作ZL108R），在MTS810型材料试验机上进行对比试验。 在疲劳裂纹扩展试验中测量了三组合金的疲劳裂纹扩展速率和门槛值。基于同组合金各试样对该合金的da／dN-△K曲线贡献应相等，提出了成组试验数据代表点拟合的新方法，用不同试样的试验数据代表点拟合出该合金Paris公式的单一组参数C和m，以便于不同组合金试验结果的比较。 研究发现，两种加钛方式都提高了ZL108合金的门槛值△Kth，并且ZL108D的门槛值高于ZL108R合金。在不同疲劳裂纹扩展阶段，电解加钛和熔配加钛对扩展速率da／dN的影响有所不同。在近门槛区，两种加钛合金的扩展速率显著低于ZL108合金，ZL108D合金的扩展速率最低；而在Paris区，三种合金的疲劳裂纹扩展速率变化趋势与近门槛值区相同，但差别没有近门槛值区明显。 在断裂韧性试验中测量了三组合金的平面应变断裂韧度KIC，采用数理统计中显著性检验方法分析试验数据。结果表明，在显著度2％水平，加钛提高了ZL108合金的平面应变断裂韧度KIC，两种加钛方式相互间没有大的区别。 微观分析表明，向ZL108合金中加入Ti元素，可以细化α（Al）相的尺寸，使一次枝晶变短，二次枝晶间距减小；同时增强了合金中Sr的变质效果，使共晶硅颗粒分布更加均匀，平均直径变小且圆形度提高；并改善Fe相存在形态，从而提高了ZL108合金抗疲劳裂纹扩展能力和断裂韧性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属材料的疲劳与断裂性能
• 1.1.1 疲劳与断裂的基本概念
• 1.1.2 疲劳与断裂性能在金属材料研究中的重要性
• 1.1.3 疲劳与断裂试验的研究内容
• 1.2 活塞合金ZL108的研究
• 1.2.1 活塞材料的性能要求及分类
• 1.2.2 提高ZL108合金性能的途径
• 1.2.3 加钛ZL108合金的晶粒细化及其机理
• 1.2.4 电解加钛ZL108合金的试验研究
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 第二章 试样的制备与研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 试样的制备
• 2.2.1 合金制备原材料
• 2.2.2 三种试验合金的制备
• 2.2.3 试样的热处理及机加工
• 2.3 试验设备
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 对比试验原理
• 2.4.2 试验合金的组织观察及断口分析
• 2.4.3 处理试验数据的统计方法
• 第三章 加钛和不同的加钛方式对ZL108合金断裂韧性的影响
• 3.1 引言
• IC的因素'>3.2 影响铝合金平面应变断裂韧度K_IC的因素
• 3.3 三种试验合金的拉伸性能
• 3.3.1 力学性能的测试
• 3.3.2 试验数据的处理
• 3.3.3 试验结果
• IC的测试原理与试验方法'>3.4 平面应变断裂韧度K_IC的测试原理与试验方法
• IC的测试原理'>3.4.1 平面应变断裂韧度K_IC的测试原理
• IC的试验方法'>3.4.2 平面应变断裂韧度K_IC的试验方法
• 3.5 试验数据的处理及试验结果
• 3.5.1 试验数据的处理
• 3.5.2 试验结果
• 3.6 分析与讨论
• 3.6.1 试验合金的常温拉伸断口形貌
• 3.6.2 断裂韧性试样断口分析
• 3.6.3 晶粒细化对合金断裂韧性的影响
• 3.6.4 杂质铁相对合金断裂韧性的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 加钛和不同的加钛方式对ZL108合金疲劳裂纹扩展性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 影响铝合金疲劳裂纹扩展性能的因素
• 4.3.1 疲劳裂纹扩展速率的测试原理
• 4.3.2 疲劳裂纹扩展速率和门槛值的测试过程
• 4.4 数据处理方法及结果
• 4.4.1 成组数据的代表点拟合方法
• 4.4.2 数据处理的结果
• 4.5 疲劳裂纹在近门槛区和Paris区的扩展
• 4.5.1 近门槛区的扩展
• 4.5.2 Paris区的扩展
• 4.6 分析与讨论
• 4.6.1 裂纹扩展路径观察
• 4.6.2 近门槛区的疲劳裂纹扩展速率及门槛值的影响因素分析
• 4.6.3 Paris区的疲劳裂纹扩展速率影响因素分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间发表论文
• 致谢