鋁合金多軸非比例加載低應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外的廣泛關注,鋁合金作為理想的輕量化材料倍受青睞,而關于鋁合金的多軸非比例低應力疲勞的微觀機理研究尚未開展,對于其多軸非比例低應力疲勞特性及其微觀結構的認識尚不清晰,工程上安全設計缺乏依據,開展汽車、高速列車用輕量化材料的多軸非比例低應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用價值。鑒于上述問題,本文采用宏觀與微觀試驗相結合的

2、方法,系統地開展了了Al-Mg-Si合金的多軸非比例低應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力疲勞),主要內容如下：(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力疲勞試驗,重點分析了等效應力幅值和加載路徑對多軸非比例低應力疲勞特性及疲勞壽命的影響,研究表明：隨著等效應力幅值的提高,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,在更低的等效應力幅值

3、下就表現出循環(huán)硬化特性；疲勞壽命隨等效應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,扭轉方向比軸向更快地產生了塑性變形；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：多軸非比例加載低應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,也起源于內部,在疲勞試樣斷口上,發(fā)現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力疲勞的位錯結構,分析了等效應力幅值和加載路徑等對位錯結構的影響,結果表明：隨著等效應力幅值的提高,位錯密度增大,疲勞位錯結構由交滑移線變化為交滑移帶最后形成了“迷宮”狀或胞狀結構,位錯結構的變形抗

5、力增強,位錯的可動性降低,與比例加載相比,在更低的等效應力幅值下就形成了“迷宮”狀或胞狀位錯結構；在多軸非比例低應力疲勞過程中,位錯結構不斷演變,位錯結構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構及其變形抗力、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、微觀試驗結果,重點分析了Al-Mg-Si合金多軸非比例低應力疲勞的微觀機理,研究表明：位

6、錯塞積產生的應力集中程度不同,位錯可動性降低程度以及位錯結構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,位錯結構的變形抗力不同,導致非比例附加強化程度不同；在不同的加載路徑或等效應力幅值下,位錯塞積產生的應力集中程度不同,導致微裂紋萌生的數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構變形抗力的

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合金疲勞試驗結果,驗證了常用的多軸非比例疲勞壽命估算公式,并根據鋁合金多軸非比例低應力疲勞的微觀機理,考慮加載路徑和非比例附加強化的影響,以最大剪應變和臨界面上的最大正應變?yōu)閾p傷參量,修正了基于臨界面法、以最大剪應變?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力疲勞壽命