织构对AZ31B镁合金板材高周疲劳性能的影响

论文摘要

基于密度小、比强度、比刚度高等优势,镁合金材料在“陆、海、空、天”等领域的应用潜力越来越大,但其力学性能的研究尤其是疲劳性能研究的不足成为制约镁合金材料广泛应用的瓶颈之一。本文按照轴向高频拉拉疲劳试验方法对镁合金疲劳性能进行了研究；通过采用标准（CT）试样对镁合金裂纹扩展速率进行了研究；采用X射线织构测量仪对镁合金板材织构进行了分析,并研究了织构对镁合金疲劳性能和疲劳裂纹扩展性能的影响。论文对不同厚度镁合金板材的宏观织构进行了检测。试验表明：镁合金挤压板材存在明显的织构现象。随着挤压道次的增加,（0002）基面织构强度逐渐减弱,非基面织构种类和强度逐渐增强。对疲劳性能各向异性的影响也越来越强。基面织构在挤压方向和横向的Schmid因子都为O,在两个方向都不发生滑移。非基面织构在挤压方向的Schmid因子比在横向大,因而在挤压方向容易发生滑移,产生塑性变形。因此,在挤压方向疲劳裂纹形成前能承受较大的交变应力,疲劳性能较好。在横向的Schmid因子相对较小,发生塑性变形较困难,在较小力的作用下可发生断裂,但由于其织构的硬取向,在裂纹扩展前可承受较大的应力,止裂效果好。研究了织构对10mm板材挤压方向（ED）和横向（TD）疲劳性能的影响。由于Schmid因子不同,AZ31B镁合金在挤压方向比横向更容易发生塑性变形,对比疲劳试验结果：AZ31B镁合金在2×106循环次数下挤压方向的疲劳强度为116.1MPa,横向的疲劳强度为105.3MPa；在5×106循环次数下挤压方向和横向的疲劳极限分别为107.7MPa和95.4MPa。测试了织构对2mm板材挤压方向（ED）和横向（TD）疲劳性能的影响。由于织构效应比10mm材料强烈,薄板织构对疲劳性能的影响也比厚板大。2mm镁合金在挤压方向比横向更容易发生塑性变形。AZ31B镁合金在2×106循环次数下挤压方向的疲劳强度为120.1MPa；横向的疲劳强度为104.5MPa。在5×106循环次数下挤压方向和横向的疲劳极限分别为12.5MPa和92.5MPa。论文测试了AZ31B镁合金板材的疲劳裂纹扩展速率,得出了挤压方向和横向试件的da/dN-ΔK曲线。通过研究材料内部形成织构与不同方向裂纹尖端区塑性变形能力之间的关系,探寻织构与镁合金裂纹扩展速率之间的关系。进而研究织构对镁合金裂纹敏感性的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 镁合金疲劳断裂机理及其影响因素
• 1.2.1 镁合金疲劳断裂机理
• 1.2.2 镁合金疲劳性能影响因素
• 1.3 织构对镁合金材料力学性能的影响及研究进展
• 1.3.1 镁合金微观滑移体系
• 1.3.2 织构的表示方法
• 1.3.3 镁合金板材织构
• 1.3.4 镁合金织构的研究进展
• 1.3.5 织构对镁合金力学性能的影响
• 1.4 本课题研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 试验材料及分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验设备
• 2.3.1 疲劳及裂纹扩展速率试验设备
• 2.3.2 织构测量设备
• 2.4 试验方法及分组
• 2.4.1 疲劳试验方法
• 2.4.2 疲劳裂纹扩展速率试验方法
• 2.4.3 镁合金织构计算
• 2.5 织构与疲劳性能的关系
• 2.5.1 晶体塑性变形与外力关系
• 2.5.2 织构与疲劳性能的联系
• 2.5.3 织构与疲劳裂纹扩展速率的关系
• 第三章 织构对AZ31B镁合金厚板高周疲劳性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 试件及试件相关参数
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 显微组织
• 3.3.2 疲劳试验结果
• 3.3.3 拟合S-N曲线
• 3.3.4 疲劳裂纹
• 3.3.5 宏观断口形貌
• 3.3.6 微观断口形貌
• 3.4 挤压面织构
• 3.4.1 挤压面极图
• 3.4.2 挤压面取向分部函数测量
• 3.5 结果讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 织构对AZ31B镁合金薄板高周疲劳性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试件及试件相关参数
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 显微组织
• 4.3.2 疲劳试验结果
• 4.3.3 拟合S-N曲线
• 4.3.4 疲劳裂纹
• 4.3.5 宏观断口形貌
• 4.3.6 微观断口形貌
• 4.4 挤压面织构
• 4.4.1 挤压面极图
• 4.4.2 取向分布函数（ODF）
• 4.5 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 织构对AZ31B镁合金疲劳裂纹扩展性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 试件加工及其相关参数
• 5.3 缺口平行挤压方向试样（ED）的疲劳裂纹扩展试验及数据分析
• 5.3.1 试验最大载荷的确定
• 5.3.2 试验a-N测量和da/dN-ΔK曲线拟合
• 5.3.3 镁合金疲劳裂纹的扩展机理
• 5.4 缺口方向垂直于挤压方向（TD）疲劳裂纹扩展试验及数据分析
• 5.4.1 试验最大载荷选取
• 5.4.2 a-N测试和da/dN-ΔK曲线拟合
• 5.4.3 疲劳裂纹的扩展机理
• 5.5 AZ31B疲劳裂纹沿不同方向扩展性能研究
• 5.6 AZ31B镁合金挤压板材织构测量
• 5.7 结果分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况