鑄造鋁合金多軸非比例加載低周疲勞特性及其微觀機(jī)理的研究.pdf

1、隨著汽車工業(yè)、城市軌道交通的快速發(fā)展，鑄造鋁合金等輕量化材料被越來(lái)越多地應(yīng)用于車用構(gòu)件中，以替代鋼、鑄鐵等傳統(tǒng)材料，如汽車的缸體、輪轂及磁浮列車的托臂、搖枕等關(guān)鍵構(gòu)件都已大量使用鑄造鋁合金材料。由于汽車、磁浮列車的關(guān)鍵構(gòu)件通常處于多軸受力狀態(tài)下，材料的循環(huán)變形行為與單軸加載相比會(huì)有較大變化，疲勞壽命也更低，因此深入研究鑄造鋁合金材料的多軸疲勞性能可以為構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)提供更為符合實(shí)際的數(shù)據(jù)參考，這對(duì)于鑄鋁構(gòu)件的安全應(yīng)用是迫切需

2、要的。目前，關(guān)于鑄造鋁合金疲勞性能的研究仍集中在單軸加載上，為了給鑄鋁構(gòu)件的應(yīng)用提供更為全面、可靠的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)積累，開(kāi)展鑄造鋁合金材料的多軸非比例加載低周疲勞特性及其微觀機(jī)理的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。鑒于上述原因，本文采用宏觀與微觀試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地開(kāi)展了ZL101鑄造鋁合金的多軸非比例加載低周疲勞特性及微觀機(jī)理的研究，主要內(nèi)容如下：(1)對(duì)ZL101鑄造鋁合金進(jìn)行了單軸及多軸非比例加載低周疲勞試驗(yàn)，

3、重點(diǎn)分析了等效應(yīng)變幅值和應(yīng)變路徑對(duì)材料多軸非比例加載低周疲勞特性及疲勞壽命的影響。研究表明：隨著等效應(yīng)變幅值的提高，材料的循環(huán)硬化程度增大，在非比例加載下，材料還產(chǎn)生程度較輕的附加強(qiáng)化；疲勞壽命隨等效應(yīng)變幅值的增大而降低，且在相同的等效應(yīng)變幅值下，材料的非比例加載低周疲勞壽命顯著低于單軸或比例加載的疲勞壽命；在不同的非比例應(yīng)變路徑下，材料的循環(huán)硬化程度、附加強(qiáng)化程度以及疲勞壽命均表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)變路徑的依賴性。(2)利用掃描電子

4、顯微鏡及金相顯微鏡觀察了ZL101鑄造鋁合金的疲勞斷口，著重分析了材料低周疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展方式。研究發(fā)現(xiàn)：ZL101鑄造鋁合金低周疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展均與共晶硅相有密切聯(lián)系；共晶硅顆粒的斷裂是疲勞微裂紋萌生的主要方式；在循環(huán)初期，疲勞微裂紋的擴(kuò)展主要通過(guò)臨近已斷裂的共晶硅顆粒相互連接進(jìn)行，長(zhǎng)大后的微裂紋以穿過(guò)α-Al基體互相連接的方式形成貫穿性的主裂紋，并最終導(dǎo)致材料的破壞；疲勞條紋和α-Al基體的穿晶斷裂是疲勞斷口較為

5、明顯的特征。(3)利用透射電子顯微鏡觀察了ZL101鑄造鋁合金多軸非比例加載低周疲勞的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，分析了等效應(yīng)變幅值和應(yīng)變路徑對(duì)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:在多軸載荷下，隨等效應(yīng)變幅值的提高，材料的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)發(fā)生從交叉位錯(cuò)帶向位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。但與比例加載相比，非比例加載方式使材料在更低的等效應(yīng)變幅值下便可形成胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。等效應(yīng)變幅值的增加和非比例加載方式均有利于材料形成胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)特征。ZL101鋁合金組織結(jié)構(gòu)的均勻程度較差，

6、縮小了位錯(cuò)自由運(yùn)動(dòng)的空間是材料在等效應(yīng)變幅值較低時(shí)難以形成胞狀結(jié)構(gòu)的主要原因。(4)基于ZL101鑄造鋁合金的低周疲勞宏觀、微觀試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)分析了ZL101鑄造鋁合金在多軸加載條件下循環(huán)變形行為的微觀機(jī)理，并對(duì)材料多軸非比例加載低周疲勞壽命顯著降低的原因給出了微觀解釋。分析表明：在不同的應(yīng)變路徑下，斷裂硅顆粒的增長(zhǎng)速率依賴于應(yīng)變路徑的變化，導(dǎo)致疲勞微裂紋的萌生速率及擴(kuò)展速率表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)變路徑的依賴性，這是材料的非比例加載低

7、周疲勞壽命依賴于應(yīng)變路徑的主要原因；而在多軸非比例加載下，斷裂共晶硅顆粒的快速增長(zhǎng)及斷裂方式上的多樣性是造成材料在相同等效應(yīng)變幅值下多軸非比例加載低周疲勞壽命顯著低于單軸及比例加載低周疲勞壽命的主要原因。(5)利用ZL101鑄造鋁合金的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了常用的多軸非比例加載低周疲勞壽命估算公式，并根據(jù)材料的多軸低周疲勞的微觀機(jī)理，考慮應(yīng)變路徑和附加強(qiáng)化的影響，對(duì)基于臨界面法的疲勞壽命估算公式進(jìn)行了修正，得出的公式適用于Z