AZ91镁合金单轴棘轮效应及低周疲劳行为研究

摘要

镁合金作为一种轻质高性能金属结构材料，在汽车、航空、航天等领域的应用日益广泛，对其疲劳性能的要求也越来越高。然而，镁合金零部件在实际服役过程中不可避免地承受非对称循环应力，产生棘轮效应，将严重影响其疲劳性能。因此，对这类构件进行疲劳可靠性设计时，需要考虑材料/零部件的棘轮效应及其对疲劳行为的影响。本文研究了AZ91镁合金的单轴棘轮效应和低周疲劳行为特点，探明了材料在棘轮效应和低周疲劳行为作用下的失效机理。研究内容与主要成果包括以下四方面:
　　 (1)通过对AZ91镁合金进行非对称应力循环实验，研究了材料的循环特性和单轴棘轮效应特性，结果表明:在室温下材料先呈现循环硬化特性，后呈现一定的循环软化特性;材料的单轴棘轮应变随平均应力、应力幅值、峰值应力的增大和峰/谷保载时间的增加而提高，而且应力加载史对棘轮应变的影响显著。此外，由于轧制镁合金板材具有各向异性特征，导致材料轧制方向的棘轮效应较横向方向更为突出。
　　 (2)基于材料疲劳失效过程中的能量耗散机理，研究了各种工况参数对低周疲劳行为的影响规律，结果表明:低周疲劳失效寿命随平均应力、应力幅值、峰值应力的增大而降低，随应力比的增加而提高。
　　 (3)基于低周疲劳失效寿命实验结果，综合考虑非对称循环加载工况参数对疲劳寿命的影响，通过修正Basquin模型中的疲劳强度系数和疲劳强度指数，建立了AZ91镁合金低周疲劳失效寿命的预测模型，其预测值与实验结果的误差分散度仅为23.77％，因此该模型具有较高预测精度。
　　 (4)通过对试样失效断口形貌观察和金相组织分析实验，探明了材料在棘轮效应和低周疲劳行为作用下的失效机理，结果表明:在应力循环初期，棘轮效应剧烈，容易在孪晶界、位错塞积等处萌生裂纹;在应力循环中期，由于棘轮应变总是朝着材料最大延性方向发展，棘轮应变是裂纹增长的驱动力;在应力循环后期，由于材料内部空洞长大、裂纹扩展等缺陷的不断加速，导致其内部应力集中更加明显，严重降低其承载能力，最终发生疲劳失效。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 镁合金的特点及应用

1．1．1 镁合金应用背景

1．1．2 镁合金塑性变形特点

1．2 棘轮效应与低周疲劳行为研究现状

1．2．1 棘轮效应定义

1．2．2 棘轮效应研究现状概述

1．2．3 棘轮效应与低周疲劳行为的关系

1．3 低周疲劳失效寿命预测

1．3．1 基于平均应力的低周疲劳失效寿命预测

1．3．2 基于棘轮效应的低周疲劳失效寿命预测

1．3．3 基于能量理论的低周疲劳失效寿命预测

1．4 本文的研究意义及内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 实验与单轴棘轮效应特性分析

2．1 实验

2．1．1 实验材料及设备

2．1．2 实验方案

2．2 材料力学性能分析

2．2．1 单轴拉伸力学性能

2．2．2 应力循环特性分析

2．3 单轴棘轮效应特性分析

2．3．1 应力幅值对棘轮效应的影响规律

2．3．2 平均应力对棘轮效应的影响规律

2．3．3 多级应力加载历史对棘轮效应的影响规律

2．3．4 取样方向对棘轮效应的影响规律

2．3．5 峰／谷保载时间对棘轮效应的影响规律

2．3．6 峰值应力对棘轮效应的影响规律

2．3．7 应力比对棘轮效应的影响规律

2．4 本章小结

第三章 低周疲劳行为研究

3．1 低周疲劳失效过程的能量分析

3．2 低周疲劳失效寿命影响因素分析

3．2．1 应力幅值对疲劳失效寿命的影响

3．2．2 平均应力对疲劳失效寿命的影响

3．2．3 应力比对疲劳失效寿命的影响

3．2．4 峰值应力对疲劳失效寿命的影响

3．3 基于平均应力的低周疲劳失效寿命模型

3．3．1 已有的Basquin类疲劳寿命模型的应用

3．3．2 AZ91镁合金的修正Basquin疲劳寿命模型

3．3．3 低周疲劳失效寿命模型的精度比较

3．4 本章小结

第四章 棘轮效应和低周疲劳行为作用下的失效机理

4．1 试样失效断口分析

4．1．1 试样失效断口表面形貌分析

4．1．2 试样失效断口金相组织分析

4．2 棘轮效应和低周疲劳行对疲劳失效过程的影响

4．2．1 对疲劳裂纹起始阶段影响

4．2．2 对疲劳裂纹稳定扩展阶段影响

4．2．3 对断裂失效阶段的影响

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文研究工作总结

5．2 后续研究工作与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成论文情况

攻读硕士学位期间参加的科研项目情况