Al-Si活塞合金及其复合材料疲劳特性研究

摘要

本文系统测试了近共晶Al-Si活塞合金及Al2O3f/Al-Si复合材料在室温、200℃和350℃下的低周疲劳性能和疲劳裂纹扩展速率，通过观察疲劳断口形貌，获得了材料的疲劳裂纹萌生与扩展规律，详细阐述了上述两种活塞材料的疲劳断裂机理。
　　 观察研究了Al-Si活塞合金及其复合材料的微观组织结构。发现高度合金化的近共晶Al-Si活塞合金其微观构成非常复杂，包括:α-Al，初晶硅，共晶硅，多种金属间化合物（有ε-Al3Ni、γ-Al7Cu4Ni、T-Al9FeNi、α-AlFeMnSi和Q-Al5Cu2Mg8Si6五种）和弥散的沉淀析出相（有θ'-Al2Cu和Q'-Al5Cu2Mg8Si6两种）。Al2O3f/Al-Si复合材料在基体合金复杂构成的基础上又掺入了氧化铝纤维，纤维分布均匀，界面结合良好。
　　 测试分析了Al-Si活塞合金及其复合材料的低周疲劳性能。结果显示近共晶Al-Si活塞合金在室温下表现出独特的两次循环硬化现象:第一次硬化发生在起始加载的1～20周，通过透射电镜观察位错演变，该阶段位错较快较多的生成并与合金中弥散的沉淀析出相作用，导致了循环硬化的发生;第二次硬化出现在200周以后并一直持续到试样发生疲劳断裂，此阶段的循环硬化现象是位错与位错及位错与金属间化合物之间相互作用引起的。另外，Al-Si活塞合金在200℃和350℃下呈现较为常见的循环软化现象，而Al2O3f/Al-Si复合材料在三个温度下均表现为轻微的循环软化。
　　 测试分析了Al-Si活塞合金及其复合材料的疲劳裂纹扩展速率。发现随温度的升高，Al-Si活塞合金及Al2O3f/Al-Si复合材料的疲劳裂纹扩展速率均逐渐增大;相同条件下，复合材料的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)较基体合金要小一些，说明纤维能对疲劳裂纹扩展起到明显的阻碍作用。
　　 归纳总结了Al-Si活塞合金及其复合材料的疲劳裂纹萌生规律。Al-Si活塞合金的疲劳裂纹主要萌生于位于试样表面或表面附近区域的初晶硅颗粒或共晶硅团;Al2O3f/Al-Si复合材料的疲劳裂纹主要萌生于试样表面粗大纤维处或纤维聚集的地方。
　　 研究探讨了Al-Si活塞合金及其复合材料的疲劳裂纹扩展机理。Al-Si活塞合金在室温及200℃下疲劳裂纹扩展区域初晶硅和金属间化合物发生了界面脱离，而疲劳裂纹会直接穿过共晶硅组织进行扩展，材料表现为明显的脆性断裂现象;在350℃下，合金则呈现为典型的韧窝断裂特征。Al2Of/Al-Si复合材料的疲劳裂纹在室温及200℃下的扩展主要沿着纤维与基体的结合界面进行，当温度升高到350℃后，纤维表现为明显的断裂倾向。

目录

声明

Contents

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Al-Si活塞合金及其疲劳行为

1．3 Al2O3f／Al-Si复合材料及其疲劳行为

1．4 课题背景及意义

1．5 本文主要研究内容

参考文献

第2章 材料制备及试验方法

2．1 材料制备方法

2．1．1 Al-Si合金的制备

2．1．2 Al2O3f／Al-Si复合材料的制备

2．2 试样加工及处理

2．3 疲劳试验方法

2．4 组织结构观察与分析

2．4．1 金相试样的制备与观察

2．4．2 疲劳断口观察

2．4．3 TEM观察

第3章 Al-Si合金及其复合材料的低周疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率

3．1 引言

3．2 Al-Si合金及其复合材料的低周疲劳性能

3．2．1 Al-Si合金的低周疲劳性能

3．2．2 Al2O3f／Al-Si复合材料的低周疲劳性能

3．3 Al-Si合金及其复合材料的疲劳裂纹扩展速率

3．3．1 Al-Si合金的疲劳裂纹扩展速率

3．3．2 Al2O3f／Al-Si复合材料的疲劳裂纹扩展速率

3．4 本章小结

参考文献

第4章 Al-Si合金及其复合材料的微观组织结构及疲劳断裂机理

4．1 引言

4．2 Al-Si合金及其复合材料的微观组织结构

4．2．1 Al-Si合金的微观组织结构

4．2．2 Al2O3f／Al-Si复合材料的微观组织结构

4．3 Al-Si合金的疲劳断裂机理

4．3．1 疲劳裂纹的萌生

4．3．2 疲劳裂纹的扩展

4．4 Al2O3f／Al-Si复合材料的疲劳断裂机理

4．4．1 疲劳裂纹的萌生

4．4．2 疲劳裂纹的扩展

4．5 本章小结

参考文献

第5章 结论

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果及所获奖励