稀土对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金组织及热疲劳性能影响的研究

摘要

本文以ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金为基体合金，通过添加不同量的混合稀土La和Y，用砂型浇注成型，制备出ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金试验试样。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、光谱仪和光学显微镜分析(OM)等手段以及基本的力学性能测试法，研究添加不同量混合稀土La和Y后，ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金的力学性能、微观组织、生成相形态及分布，并分析了其细化机理。应用自约束型热疲劳实验机进行ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金的热疲劳试验，研究稀土对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金热疲劳性能的影响。在热疲劳过程中，对试样的冷热循环过程进行完整观测和系统的记录，通过光学显微镜以及电子显微镜测定多组试样的裂纹萌生位置及扩展路径，研究由于外界温度涨落在材料内部产生的热应力而造成的裂纹萌生及其扩展机制。经过多组及多温度的试验，得到的主要结论如下:
　　1.加入复合稀土后的铸态合金，和未加入稀土的铸态合金相比，抗拉强度、延伸率和显微硬度均发生变化，其中稀土含量为0.167％的试样抗拉强度提高2.7％，延伸率提高27.8％，显微硬度提高8.8％，晶粒变得均匀，综合力学性能得到提高。
　　2.铸态铝青铜的组织由β'+α+K+γ2等组成，其抗拉强度随着稀土含量的增加先增加后减少，延伸率随着混合稀土的增加而增加，显微硬度也随着稀土含量的增加先上升后下降，稀土添加量为0.167％的试样抗拉强度为680MPa，延伸率为27.6％，拥有较好的综合力学性能。晶粒大小随着混合稀土的加入量增多先变小后变大，适量稀土的加入能明显细化晶粒，使晶粒均匀。其中，稀土添加量为0.167％的试样组织最均匀。
　　3.当混合稀土的添加量为0.167％时，ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金的塑韧性最好，延缓了热疲劳裂纹的萌生与扩展，从而显著提高了合金的热疲劳性能。试验过程中各试样的裂纹在晶界处萌生，主要以沿晶扩展的方式向前扩展。当循环次数增加到10000次之后，出现了穿晶扩展，但这种扩展在该试验中不具有典型性。随着循环温度的提高，不同状态合金试样的裂纹扩展增加且裂纹更粗大，表面的氧化腐蚀越严重，合金试样的裂纹扩展方式为沿晶扩展和穿晶扩展，合金试样的裂纹依靠氧化腐蚀区和内部小裂纹的桥接进行扩展。
　　4.热疲劳试验中，上限温度的升高显著降低了ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金的热疲劳寿命。温度对裂纹扩展速率也有重要影响，上限温度较低时，扩展速率随裂纹长度的增加呈现逐步递减的趋势;上限温度较高时，热疲劳裂纹扩展速率分为递增和递减两个阶段。
　　5.冷热疲劳试验之后，不同稀土添加量CuAl9Fe4Ni4Mn2合金表面的显微硬度都有下降趋势，不同上限温度，相同的循环次数情况下，高的上限温度所造成的硬度下降要明显大于低温上限温度的冷热循环组。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 铝青铜合金的概况

1．2．1 铝青铜合金的熔炼工艺

1．2．2 合金的强化

1．2．3 化学成分的影响

1．2．4 组织与性能

1．2．5 耐磨性与耐腐蚀性

1．3 稀土元素在铜及铜合金中的应用及对性能的影响

1．3．1 在铜及铜合金中的应用

1．3．2 稀土元素对铜及铜合金性能的影响

1．3．3 稀土元素在铜合金中作用机理的研究

1．4 疲劳分类及热疲劳简介

1．4．1 热疲劳研究的历史与现状

1．4．2 热疲劳的影响因素

1．5 热疲劳裂纹形成及扩展原理

1．5．1 疲劳裂纹扩展的一般规律

1．5．2 裂纹扩展机制

1．6 本课题研究的内容与目的

第二章 试验材料、方法及流程

2．1 试验用合金的制备

2．1．1 实验材料

2．2 实验设备

2．2．1 热疲劳实验设备

2．2．2 实验设备和分析设备

2．3 试验流程

2．3．1 力学性能测试

2．3．2 显微硬度测试

2．3．3 热疲劳实验流程

2．3．4 光学显微镜以及电子显微镜分析

2．3．5 XRD分析

2．4 热疲劳抗力的测定

第三章 不同稀土添加量ZCuAl9Fe4Ni4Mn2性能及显微组织分析

3．1 稀土在铜合金中的净化作用和变质作用

3．1．1 脱氧作用

3．1．2 脱硫

3．1．3 脱氢

3．1．4 脱除有害杂质的作用

3．1．5 稀土在铜及其合金中的变质作用

3．2 混合稀土对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金力学性能的影响

3．3 混合稀土对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金微观组织分析

3．3．1 混合稀土对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金相组织的影响

3．3．2 试样中K相的变化

3．3．3 混合稀土在ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金中的存在形式

3．4 本章小结

第四章 稀土对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金热疲劳性能的影响

4．1 不同稀土添加量ZCuAl9Fe4Ni4Mn2在不同循环温度下的裂纹长度

4．1．1 疲劳裂纹长度测量方法

4．1．2 不同稀土添加量ZCuAl9Ni4FeMn2在不同循环温度下的裂纹长度

4．2 不同稀土添加量ZCuAl9Ni4FeMn2在不同循环温度下的热疲劳行为

4．2．1 ZCuAl9Ni4FeMn2在20℃-380℃下的热疲劳行为

4．2．2 不同稀土添加量ZCuAl9Fe4Ni4Mn2在20℃-450℃下的热疲劳行为

4．3 热疲劳裂纹萌生与扩展机理

4．3．1 热疲劳裂纹萌生机理

4．3．2 热疲劳裂纹扩展机理

4．4 本章小结

第五章 温度对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2合金热疲劳性能的影响

5．1 温度对热疲劳寿命的影响

5．2 温度对裂纹扩展速率的影响

5．3 高温对裂纹扩展方式的影响

5．4 冷热循环对显微硬度的影响

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文