鋁合金多軸非比例加載低應(yīng)力疲勞特性及其微觀機理的研究.pdf

1、隨著汽車、高速列車的快速發(fā)展,為了節(jié)約能源、減輕重量、減少沖擊,輕量化材料的使用受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,鋁合金作為理想的輕量化材料倍受青睞,而關(guān)于鋁合金的多軸非比例低應(yīng)力疲勞的微觀機理研究尚未開展,對于其多軸非比例低應(yīng)力疲勞特性及其微觀結(jié)構(gòu)的認識尚不清晰,工程上安全設(shè)計缺乏依據(jù),開展汽車、高速列車用輕量化材料的多軸非比例低應(yīng)力疲勞特性及其微觀機理研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。鑒于上述問題,本文采用宏觀與微觀試驗相結(jié)合的

2、方法,系統(tǒng)地開展了了Al-Mg-Si合金的多軸非比例低應(yīng)力疲勞特性及其微觀機理研究(文中沒有說明的,系指Al-Mg-Si合金的多軸非比例低應(yīng)力疲勞),主要內(nèi)容如下：(1)針對Al-Mg-Si合金進行了單軸、比例及多軸非比例加載低應(yīng)力疲勞試驗,重點分析了等效應(yīng)力幅值和加載路徑對多軸非比例低應(yīng)力疲勞特性及疲勞壽命的影響,研究表明：隨著等效應(yīng)力幅值的提高,多軸非比例加載的循環(huán)硬化程度增大,與單軸或比例加載相比,在更低的等效應(yīng)力幅值

3、下就表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性；疲勞壽命隨等效應(yīng)力幅值的增大而降低,并顯著低于單軸或比例加載的疲勞壽命,扭轉(zhuǎn)方向比軸向更快地產(chǎn)生了塑性變形；在不同的非比例路徑下,材料的硬化程度、附加強化程度以及疲勞壽命不同。(2)利用掃描電子顯微鏡觀察了疲勞試樣的斷口形貌,初步分析了Al-M-Si合金的疲勞斷裂機理,研究發(fā)現(xiàn)：多軸非比例加載低應(yīng)力疲勞斷口與其單軸或比例加載疲勞斷口特征沒有明顯差異,以韌性斷裂為主,局部存在脆性斷裂特征,疲勞裂紋既起

4、源于表面,也起源于內(nèi)部,在疲勞試樣斷口上,發(fā)現(xiàn)了類似解理和晶間斷裂的特征,第二相粒子或夾雜物、晶界、孔洞對鋁合金的多軸非比例低應(yīng)力疲勞特性和疲勞壽命有明顯的影響。(3)利用透射電子顯微鏡重點觀察了Al-Mg-Si合金多軸非比例低應(yīng)力疲勞的位錯結(jié)構(gòu),分析了等效應(yīng)力幅值和加載路徑等對位錯結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明：隨著等效應(yīng)力幅值的提高,位錯密度增大,疲勞位錯結(jié)構(gòu)由交滑移線變化為交滑移帶最后形成了“迷宮”狀或胞狀結(jié)構(gòu),位錯結(jié)構(gòu)的變形抗

5、力增強,位錯的可動性降低,與比例加載相比,在更低的等效應(yīng)力幅值下就形成了“迷宮”狀或胞狀位錯結(jié)構(gòu)；在多軸非比例低應(yīng)力疲勞過程中,位錯結(jié)構(gòu)不斷演變,位錯結(jié)構(gòu)的變形抗力逐漸增強,位錯密度逐漸增大,位錯的可動性逐漸降低；在不同的加載路徑下,材料失效時的位錯結(jié)構(gòu)及其變形抗力、位錯位錯密度以及位錯可動性不同。(4)基于Al-Mg-Si合金的宏觀、微觀試驗結(jié)果,重點分析了Al-Mg-Si合金多軸非比例低應(yīng)力疲勞的微觀機理,研究表明：位

6、錯塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度不同,位錯可動性降低程度以及位錯結(jié)構(gòu)的變形抗力增強程度不同,使在不同路徑下的循環(huán)硬化程度存在差異；在不同非比例路徑下,循環(huán)穩(wěn)定時的位錯可動性不同,位錯結(jié)構(gòu)的變形抗力不同,導(dǎo)致非比例附加強化程度不同；在不同的加載路徑或等效應(yīng)力幅值下,位錯塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度不同,導(dǎo)致微裂紋萌生的數(shù)量和擴展的速度不同,是疲勞壽命不同的根本原因,附加強化也在一定程度上影響了鋁合金的疲勞壽命；位錯可動性和位錯結(jié)構(gòu)變形抗力的

7、大小以及非比例附加強化程度是影Al-Mg-Si合金多軸非比例低應(yīng)力疲勞特性和疲勞壽命的重要影響因素。(5)利用Al-Mg-Si合金疲勞試驗結(jié)果,驗證了常用的多軸非比例疲勞壽命估算公式,并根據(jù)鋁合金多軸非比例低應(yīng)力疲勞的微觀機理,考慮加載路徑和非比例附加強化的影響,以最大剪應(yīng)變和臨界面上的最大正應(yīng)變?yōu)閾p傷參量,修正了基于臨界面法、以最大剪應(yīng)變?yōu)閾p傷參量的多軸低周疲勞壽命估算公式,對Al-Mg-Si合金多軸非比例低應(yīng)力疲勞壽命