半连续铸造Mg-Gd-Zn-Zr合金高周疲劳行为的研究

摘要

节能减排是现代汽车发展的重要方向,大型转动结构件(如汽车轮毂、发动机缸体等)轻量化是实现汽车节能减排的重要手段。作为最轻质的金属结构材料,镁合金有望代替铝合金制造汽车轮毂、缸体等结构件,达到减重的效果,从而明显提高燃料效率。Mg-Gd-Zn-Zr合金是新开发的新型稀土镁合金,具有良好的室温力学性能和高温蠕变性能,非常适合用于制备汽车结构件。然而,这些结构件在实际应用过程中会因为塑性累积损伤而发生疲劳失效。因此,疲劳行为的研究是Mg-Gd-Zn-Zr合金工程应用的基础。
　　本文以Mg-Gd-Zn-Zr合金为研究对象,通过半连续铸造工艺制备了Mg96.32Gd2.5Zn1Zr0.18合金,借助OM、SEM、室温拉伸以及高周疲劳实验等研究手段,研究了Mg96.32Gd2.5Zn1Zr0.18合金在不同状态(铸态,T4态:500℃×10h,T6态:500℃×10h+200℃×128h)下的显微组织,室温力学性能和高周疲劳行为。研究结果表明:
　　铸态Mg96.32Gd2.5Zn1Zr0.18合金组织主要由α-Mg基体、晶界处树枝状的共晶(Mg,Zn)3Gd相以及少量的晶内LPSO相组成。经500℃×10h固溶处理之后,14H-LPSO结构的X相在晶内以及晶界处析出。200℃×128h时效处理后,合金析出亚稳的β’相和β1相。随着热处理的进行,合金晶粒明显长大。T4态和T6态合金的平均晶粒尺寸分别是19.3μm和19.7μm,比铸态合金高出59％。
　　热处理能够明显提高Mg96.32Gd2.5Zn1Zr0.18合金的拉伸性能和疲劳强度。与铸态合金相比,T6态合金的屈服强度(172.5MPa)、抗拉强度(274.8MPa)、疲劳强度(130MPa)分别提高了87.8MPa、92MPa和25MPa,但延伸率稍有降低,只有3.3%。
　　铸态、T4态合金和T6态合金的疲劳寿命在S-N曲线上的表现不同。铸态和T4态合金在105-107疲劳寿命跨度内存在寿命空白区(life gap)。经过时效处理后,该现象消失,表现为T6态合金疲劳寿命在整个寿命跨度上的均匀分布。铸态、T4态和T6态合金的塑性区大小与其平均晶粒尺寸之间的相对大小是导致疲劳寿命空白区的主要原因。
　　热处理对铸造Mg96.32Gd2.5Zn1Zr0.18合金的疲劳裂纹萌生和扩展行为的影响较小。从宏观上看,铸态、T4态和T6态合金的疲劳断口都包括疲劳裂纹萌生区(Region1)、疲劳裂纹扩展区(Region2)以及瞬时断裂区(Region3)。铸态、T4态和T6态三个合金的疲劳裂纹都萌生于氧化物处,裂纹扩展方式都是由穿晶模式(Region1和Region2)过渡到沿晶模式(Region3)。在所有合金的断面上都观察到一些独特的“台阶”。这些台阶的形成机理尚未清楚,推测其可能是 LPSO相与位错的交互作用而引起的。
　　经过疲劳试验后,T4态合金表面出现滑移带,其密度低于铸态合金。T6态合金表面上未观察到任何滑移痕迹。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2金属材料的疲劳

1.3铸造镁合金疲劳性能研究现状

1.4 Mg-Gd系镁合金研究现状

1.5 Mg-Gd-Zn合金研究现状

1.6研究目的和研究内容

参考文献

第2章 合金制备与实验方法

2.1研究路线

2.2合金制备

2.3显微组织观察与分析

2.4性能测试

2.5本章小结

参考文献

第3章 铸造Mg-Gd-Zn-Zr合金的显微组织与力学性能

3.1显微组织

3.2力学性能

3.3本章小结

参考文献

第4章 铸态Mg-Gd-Zn-Zr合金的高周疲劳性能

4.1 S-N曲线

4.2疲劳断口分析

4.3结果分析及讨论

4.4本章小结

参考文献

第5章 热处理对Mg-Gd-Zn-Zr合金的高周疲劳性能的影响

5.1 S-N曲线

5.2疲劳断口分析

5.3疲劳试样表面观察

5.4结果分析及讨论

5.5本章小结

参考文献

第6章 结论

6.1研究结论

6.2创新点

6.3展望

致谢

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