晶粒细化剂Mg-Al-C及Ce对AZ91D镁合金低周疲劳行为的影响

摘要

随着航天航空及汽车工业轻量化、节能化和环保化发展的必然趋势,越来越多的镁合金构件用于承载交变载荷并引起疲劳破坏,这就要求对其疲劳性能进行深入研究。研究镁合金的疲劳行为不仅具有理论价值,而且也具有一定的工程实用价值。本课题选用AZ91D合金为母合金,向其中分别加入不同含量的晶粒细化剂Mg-Al-C、Ce,系统地研究了晶粒细化剂对基体合金的微观组织和低周疲劳性能的影响,以期为AZ91D合金的抗疲劳设计和合理使用提供可靠的理论依据。
　　力学性能结果表明,晶粒细化剂Mg-Al-C和Ce的添加使AZ91D基体合金的屈服强度、抗拉强度、断面收缩率和弹性模量均得到较大提高。当分别加入1.2％Mg-Al-C和0.9%Ce时,合金的综合力学性能达到最好。加入1.2%Mg-Al-C时,AZ91D合金的σs=140.34MPa,σb=255.63MPa,ψ=8.60%,E=1.42GPa;加入0.9%Ce时,合金的σs=136.14MPa,σb=233.29MPa,ψ=7.80%,E=1.38GPa。两者均较未添加晶粒细化剂的AZ91D合金性能(σs=103.09MPa,σb=152.13MPa,ψ=1.30%,E=0.85GPa)有较大提高,其中添加Mg-Al-C的合金力学性能更好。
　　显微组织观察表明,晶粒细化剂Mg-Al-C和Ce的添加可以有效地细化AZ91D基体合金的晶粒,改善β-Mg17Al12相的大小和分布,且细化效果与晶粒细化剂添加量有关。当晶粒细化剂Mg-Al-C、Ce的添加量由0.3%增加到1.2%时,随着添加量的加大,AZ91D合金中的β相不断断网破碎、细化和弥散化,树枝晶最终也得以消除。当添加1.2%Mg-Al-C时,合金的平均晶粒尺寸由未添加细化剂的原始尺寸162μm分别降到57μm;添加0.9%Ce后合金平均晶粒尺寸也降至64μm;降幅分别为64.8%和60.5%。在AZ91D基体中分别加入1.2%Mg-Al-C和0.9%Ce时,合金的平均晶粒尺寸达到最小化。
　　低周疲劳实验结果表明:①晶粒细化剂Mg-Al-C和Ce的添加使AZ91D基体合金的低周疲劳寿命得到大幅度提高。当总应变幅Δεt/2为0.2%时,AZ91D+1.2%Mg-Al-C合金、AZ91D+0.9%Ce合金的疲劳寿命由未添加细化剂AZ91D合金的疲劳寿命7694周次分别提高到13615周次和12537周次;当Δεt/2为1.2%时,AZ91D+1.2%Mg-Al-C合金、AZ91D+0.9%Ce合金的疲劳寿命从AZ91D基体合金的21周次分别升高到113周次和102周次。晶粒细化剂Mg-Al-C的添加比Ce对合金的疲劳寿命影响更大。②在较大应变幅下,镁合金循环滞后回线上分别出现拐点、拉压不对称和锯齿现象。晶粒细化剂的添加大大减缓了上述现象的发生。③镁合金的循环应力响应行为主要呈现循环应变硬化趋势,应变幅的降低和晶粒细化剂的添加使其呈现循环稳定甚至循环软化,其中应变幅的影响占主要地位。④晶粒细化剂的加入大大增强了镁合金的延性,使镁合金的过渡疲劳寿命高于AZ91D基体合金。⑤镁合金的循环应力-应变行为均表现出循环硬化现象,晶粒细化剂的添加增大了循环强度系数、减小了循环应变硬化指数。⑥镁合金疲劳断口上的三个特征区域并不特别明显,出现了多疲劳源现象,且断口随应变幅的增加越来越凹凸不平。⑦镁合金的循环滞后能与疲劳寿命之间呈线性关系,据此可以预测合金的低周疲劳寿命。总之,在低周疲劳实验中,晶粒细化不仅延长了疲劳裂纹的萌生寿命,也延长了疲劳裂纹的扩展寿命,从而延长了整个疲劳寿命。因此,晶粒越细化,镁合金的低周疲劳寿命越长。

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第一章 文献综述

1.1 镁及镁合金概述

1.2 晶粒细化剂(Al4C3、Ce)在镁合金中的应用

1.3 金属材料的低周疲劳

1.4 镁合金的疲劳性能

1.5 本课题研究的意义及内容

第二章 实验内容及拉伸实验结果

2.1 实验方案

2.2 实验材料

2.3 实验仪器

2.4 实验内容

第三章 AZ91D系列镁合金低周疲劳行为研究

3.1 AZ91D镁合金的低周疲劳行为研究

3.2 AZ91D+Mg-Al-C镁合金低周疲劳行为研究

3.3 AZ91D+Ce镁合金低周疲劳行为研究

3.4 循环滞后能与疲劳寿命的关系

第四章 讨 论

4.1 镁合金的循环滞后回线分析

4.2 镁合金的循环应力响应行为

4.3 镁合金的低周疲劳寿命行为

4.4 镁合金的循环应力-应变行为

4.5 镁合金的疲劳断口分析

4.6 晶粒细化剂对镁合金低周疲劳寿命的影响

第五章 结 论

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文