循环载荷下AZ31B镁合金加工硬化行为及疲劳产热数值模拟

摘要

镁合金以其轻质、良好的强度与刚度、较强的导电和导热、抗震以及可以全回收无污染等优点，在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景，但这些领域多承受交变载荷，从而使其成为薄弱环节。疲劳断裂因具有突发性往往会造成严重的事故，因而对镁合金的疲劳性能进行研究可以为其更广泛的应用提供理论依据。红外热像技术可以利用试件表面的温度变化对材料的疲劳性能进行表征，并且能从疲劳过程的能量耗散角度对疲劳失效进行深层次的探索，因而使用红外热像法对镁合金的疲劳进行研究具有现实的价值与意义。金属材料在循环载荷下的断裂过程主要包括：循环载荷下的加工硬化/软化--裂纹萌生-裂纹扩展-最后断裂。因此，研究镁合金循环载荷下的加工硬化行为对研究镁合金的疲劳性能具有重要意义。本文通过对 AZ31B镁合金在循环载荷下的加工硬化行为进行研究，得到如下结论：
　　利用红外热像法对 AZ31B镁合金在疲劳过程中的温度演化特征进行了分析，结果表明其温度演化过程存在5个不同的阶段：初始温度快速上升阶段，温度下降阶段，温度稳定阶段，温度急剧上升阶段和失效后温度自然冷却阶段，由于镁合金存在加工硬化现象，进而导致在初始快速温升之后温度急剧下降。
　　利用透射电镜对 AZ31B镁合金在疲劳过程中的微观组织变化进行观察，发现在此过程中存在位错的增殖与湮灭，其增殖和湮灭与试件的加工硬化以及温度变化有着较好的对应关系。对疲劳过程中的迟滞回线的变化进行了研究发现，迟滞回线面积变化与温度变化和位错的增殖有着良好的对应关系。
　　为了验证加工硬化现象，对经过预疲劳的试件进行拉伸试验，发现抗拉强度随着循环次数的增加出现先增大后减小再增大的现象。当预疲劳载荷低于130MPa时，随着预疲劳载荷的增加，抗拉强度增大，直到预疲劳载荷达到130 MPa，试件因出现明显的疲劳损伤而导致抗拉强度下降。抗拉强度的变化与疲劳过程中的加工硬化现象有着良好的对应关系。
　　拉伸试验过程中，同时使用红外热像仪对试件表面的温度变化进行了研究，发现拉伸过程最高温升值可以反映材料在疲劳过程中的加工硬化和软化现象。使用金相显微镜对拉伸后的组织进行了分析，发现预疲劳试件由于产生位错而导致后续拉伸后组织中存在大量孪晶组织。使用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察，发现其微观断裂机理均为准解理断裂。使用有限元软件 ABAQUS对镁合金在疲劳过程中的温度演化过程进行了模拟，结果表明，使用随动硬化模型的模拟结果与实际试验的温度变化曲线符合性良好，从而验证了镁合金的产热机理以及循环载荷下的加工硬化现象。

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第一章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2金属材料循环载荷下加工硬化概述

1.3金属材料循环载荷下加工硬化研究现状

1.4红外热成像技术应用于疲劳行为中的研究现状

1.5有限元技术在疲劳断裂学科的应用

1.6研究内容与技术路线

第二章 试验材料及方法

2.1引言

2.2试验材料及试件制备

2.3试验设备

2.4试验过程及数据处理方法

第三章 AZ31B镁合金循环载荷下的加工硬化行为

3.1引言

3.2高周疲劳过程AZ31B镁合金的温度变化与加工硬化行为

3.3 AZ31B镁合金预疲劳后的拉伸行为

3.4拉伸过程中温度和微观结构变化

3.5本章小结

第四章 ABAQUS有限元软件模拟AZ31B镁合金疲劳产热

4.1引言

4.2 ABAQUS软件介绍

4.3变形及产热本构关系

4.4有限元分析过程

4.5模拟结果与试验结果对比

4.6本章小结

第五章结论

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况