高温喷丸GW92K镁合金表面特性与高周疲劳行为研究

摘要

镁合金在较高温度下可承受比室温更剧烈的塑性变形,本文提出高温喷丸镁合金,期望通过强化表面层来提高其疲劳强度,进而推动轻质镁合金运动型零部件的应用。本文以新型高强稀土镁合金Mg–9Gd–2Y–0.4Zr为研究对象,首先研究了挤压和挤压+峰时效态GW92K合金的高周疲劳行为;然后开发了一套适合于镁合金的高温喷丸系统,确定了GW92K合金高温喷丸介质和喷丸强度;重点对比研究了室温喷丸和高温(240℃)喷丸挤压态和挤压+峰时效态GW92K合金的表面形貌、变形层组织、显微硬度、残余应力等特性,获得了温度对表面喷丸形变特性的影响规律;最后通过对比研究室温和高温喷丸合金的高周疲劳行为,初步探讨获得了镁合金高温喷丸的强化机理。
　　挤压和挤压+峰时效态GW92K合金高周疲劳行为研究结果表明,初始挤压态GW92K镁合金平均晶粒度约为21μm,屈服强度为208MPa,延伸率为22％;峰时效态合金晶粒尺寸大小无明显变化,屈服强度提高至291MPa,延伸率降低至10%。挤压和峰时效态合金的107周次疲劳强度分别为125MPa和145MPa,两种状态合金的疲劳裂纹都萌生于试样表面。
　　高温喷丸挤压GW92K镁合金表面特性和高周疲劳行为的研究结果表明,在相同喷丸强度下,高温喷丸挤压 GW92K合金试样表面的残余压应力、变形层的硬化程度和厚度、表面粗糙度都高于室温喷丸试样,但是当喷丸强度高于0.55mmN时,高温喷丸试样表面先出现微裂纹。喷丸强度从0.10mmN增加到0.55mmN时,常温喷丸试样表面的平均粗糙度Ra、最大粗糙度Ry值分别从1.06μm和10.6μm增加到3.3μm和19.6μm;高温喷丸试样的Ra、Ry分别从1.1μm和11.3μm增加到3.6μm和22.6μm。高温喷丸变形层中发现了(1012)-拉伸孪晶。喷丸强度为0.30mmN时,高温和室温喷丸的残余压应力分别为109MPa和104MPa,位于距表面深约88μm处。室温和高温喷丸挤压GW92K镁合金试样的最佳喷丸强度分别为0.10mmN和0.15mmN,疲劳强度分别提高到175MPa和185MPa。室温和高温喷丸挤压合金试样裂纹萌生区为亚表层区域。
　　高温喷丸峰时效态 GW92K镁合金变形层特性和高周疲劳行为研究结果表明,与挤压态合金相同,在相同喷丸强度下,时效态GW92合金高温喷丸试样表面、变形层的硬化程度和厚度、表面粗糙度都高于室温喷丸试样。随着喷丸强度增加,由粗糙度引起的应力集中系数Kt增加,喷丸强度由0.10mmN增加到0.55mmN时,室温喷丸试样的Kt值由1.14增加到1.39,高温喷丸的Kt值由1.19增加到1.44。室温和高温喷丸GW92K镁合金试样的最佳喷丸强度分别为0.10mmN和0.20mmN,疲劳强度分别提高到195MPa和210MPa。室温和高温喷丸时效合金试样的疲劳裂纹萌生为区域裂纹萌生,且位于亚表面。
　　高温喷丸与室温喷丸有相似的强化表面和抗疲劳性能机理,喷丸引起合金变形层残余压应力、组织细化和显微硬度的增加有利于提高其高周疲劳性能,而表面粗糙度的增加不利于提高高周疲劳性能。表层的附加压应力促使疲劳裂纹萌生源由表面转移到亚表面,且表层细晶硬化组织提高疲劳裂纹萌生的临界应力水平,从而提高镁合金的抗疲劳性能。高温喷丸效果好于常温喷丸处理的原因是:高温喷丸试样可承受更高的喷丸强度,表面残余压应力、变形层硬化程度更高,且不增加表面的损伤。时效态合金高温喷丸效果优于挤压态合金的原因是:时效态试样可承受更高的喷丸强度,表面强化因素进一步提高。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 Mg-Gd-Y系镁合金研究现状

1.3 镁合金高周疲劳行为研究进展

1.4 喷丸处理镁合金研究进展

1.5 研究目的和研究内容

参考文献

第二章 实验材料及方法

2.1 研究路线

2.2 材料制备

2.3 高周疲劳性能研究方法

2.4 组织性能分析

参考文献

第三章 挤压GW92K合金高温喷丸系统研发及喷丸强度确定

3.1 引言

3.2 GW92K和GW92K-T5合金组织性能

3.3 高温喷丸系统的建立

3.4 高温喷丸强度

3.5 本章小结

参考文献

第四章 高温喷丸挤压态GW92K合金变形层特性和高周疲劳行为研究

4.1 引言

4.2 高温喷丸挤压态GW92K合金的表面变形层特性

4.3 高温喷丸挤压态GW92K合金的高周疲劳性能

4.4 讨论

4.5 本章小结

参考文献

第五章 高温喷丸时效态GW92K合金变形层特性和高周疲劳行为研究

5.1 引言

5.2 高温喷丸时效态GW92K合金变形层特性

5.3 高温喷丸时效态GW92K的高周疲劳性能

5.4 裂纹萌生

5.5 本章小结

参考文献

第六章 结 论

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果