多元锌铝合金的热疲劳和力学性能的研究

论文摘要

随着社会的发展,人们对于材料的使用要求日益增加,要求材料能够在各种实际应用环境中能有较好的性能。在实际应用中,断裂是机械零件和工程构件的三种主要失效形式之一,造成的事故往往使生命和财产受到巨大的损失,而绝大多数断裂由疲劳引起。锌铝合金材料的工作环境比较恶劣,多为高温操作,因此热疲劳性能是检测锌铝合金的一种重要手段。本文选用带预制裂纹的热疲劳试样,以预制裂纹尖端为起始点,裂纹出现至长度达到0.1um为热疲劳裂纹萌生阶段;裂纹长度大于0.1um以后为热疲劳裂纹扩展阶段。以热疲劳裂纹长度达到0.1um所需冷热循环次数,即热疲劳裂纹萌生寿命为标准评定锌铝合金的热疲劳性能;以相同循环次数下热疲劳裂纹的长度为标准评定不同试样对热疲劳裂纹扩展的抗力。随后对试样进行固溶和时效处理,探究了热处理后各个试样的热疲劳性能。本文还进行了关于多元锌铝合金的力学性能的研究。在本研究条件下,得出以下主要结论:裂纹首先都是在试样缺口附近的缺陷处产生,然后逐渐扩展到应力集中区域,也就是缺口处。在铸态时,含2.7wt%Si-0.08wt%RE试样的热疲劳性能好于2wt%Si,3.5wt%Si-0.14wt%RE和3.5wt%Si-0.2wt%RE试样的热疲劳性能。经过固溶时效处理的试样抗疲劳性能有所提高,其原因在于热处理后得到合金化程度高的组织;容易产生球化现象,提高了基体的塑性;以及细化晶粒能延缓热疲劳裂纹的扩展。其中以空冷的热处理方式最佳。比较2.7wt%Si-0.08wt%RE试样,3.5wt%Si-0.14wt%RE试样和3.5%wtSi-0.2wt%RE试样在铸态及固溶时效的力学性能,发现2.7wt%Si-0.08wt%RE试样的力学性能较好;热处理后各个成分合金的力学性能比铸态状态下的好。加入稀土元素后,对合金的力学性能以及热疲劳性能均有不同程度的提高。合金热疲劳裂纹的扩展方式为混合扩展,裂纹在晶界处萌生并沿晶扩展,有穿晶扩展趋势的裂纹迅速止裂或穿晶扩展到一定程度后转变为沿晶扩展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 选题意义
• 1.2 疲劳分类及热疲劳简介
• 1.3 热疲劳研究的历史与现状
• 1.4 影响材料热疲劳性能的因素
• 1.5 ZA27合金的热疲劳裂纹形成及扩展原理
• 1.5.1 疲劳裂纹扩展研究的简要回顾
• 1.5.2 疲劳裂纹扩展的一般规律
• 1.5.3 影响裂纹扩展的因素
• 1.5.4 裂纹扩展机制
• 1.5.5 疲劳寿命分析中的材料曲线—P-S-N曲线
• 1.6 ZA27合金简介及其它元素对其热疲劳裂纹形成或扩展的影响
• 1.6.1 ZA27合金简介与发展
• 1.6.2 ZA27锌铝合金的主要组元及其作用
• 1.6.3 不同合金元素对ZA27锌铝合金热疲劳性能的影响
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第二章 试验方案设计及试验过程
• 2.1 试验用合金的熔炼及制备
• 2.1.1 合金的熔炼
• 2.1.2 试样制取
• 2.2 分析与测试方法
• 2.2.1 微观分析
• 2.2.2 热疲劳试样
• 第三章 不同合金热疲劳抗力的比较与分析
• 3.1 不同合金的热疲劳裂纹萌生与扩展
• 3.2 锌铝合金热疲劳实验微观组织的特点
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 锌铝合金铸态组织
• 3.3 裂纹的扩展方式
• 3.4 本章小节
• 第四章 热处理后的疲劳抗力比较与分析
• 4.1 热处理工艺
• 4.1.1 热处理
• 4.1.2 热处理工艺制定
• 4.2 热处理前后的疲劳行为比较
• 4.2.1 360℃加热3小时后空冷试样的热疲劳实验
• 4.2.2 360℃加热3小时后水冷试样的热疲劳实验
• 4.2.3 360℃加热3小时后空冷100℃时效3小时试样的热疲劳实验
• 4.2.4 360℃加热3小时后水冷100℃时效3小时试样的热疲劳实验
• 4.3 热处理后的组织形貌变化
• 4.4 试验结果分析
• 4.5 热膨胀对锌铝合金热疲劳性能影响机制
• 4.6 本章小结
• 第五章 多元锌铝合金的力学性能
• 5.1 多元锌铝合金的性能测试
• 5.1.1 硬度测试
• 5.1.2 室温力学性能测试
• 5.2 Si,稀土对多元锌铝合金的力学性能的影响
• 5.2.1 多元锌铝合金拉伸断口形貌
• 5.2.2 Si对多元锌铝合金力学性能的影响
• 5.2.3 稀土对多元锌铝合金力学性能的影响
• 5.3 多元锌铝合金的断裂机制
• 5.4 本章小结
• 第六章 主要结论及前景展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文