铸造铝合金多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的研究

摘要

随着汽车工业、城市轨道交通的快速发展，铸造铝合金等轻量化材料被越来越多地应用于车用构件中，以替代钢、铸铁等传统材料，如汽车的缸体、轮毂及磁浮列车的托臂、摇枕等关键构件都已大量使用铸造铝合金材料。由于汽车、磁浮列车的关键构件通常处于多轴受力状态下，材料的循环变形行为与单轴加载相比会有较大变化，疲劳寿命也更低，因此深入研究铸造铝合金材料的多轴疲劳性能可以为构件的安全设计提供更为符合实际的数据参考，这对于铸铝构件的安全应用是迫切需要的。目前，关于铸造铝合金疲劳性能的研究仍集中在单轴加载上，为了给铸铝构件的应用提供更为全面、可靠的理论依据和数据积累，开展铸造铝合金材料的多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。鉴于上述原因，本文采用宏观与微观试验相结合的方法，系统地开展了ZL101铸造铝合金的多轴非比例加载低周疲劳特性及微观机理的研究，主要内容如下：(1)对ZL101铸造铝合金进行了单轴及多轴非比例加载低周疲劳试验，重点分析了等效应变幅值和应变路径对材料多轴非比例加载低周疲劳特性及疲劳寿命的影响。研究表明：随着等效应变幅值的提高，材料的循环硬化程度增大，在非比例加载下，材料还产生程度较轻的附加强化；疲劳寿命随等效应变幅值的增大而降低，且在相同的等效应变幅值下，材料的非比例加载低周疲劳寿命显著低于单轴或比例加载的疲劳寿命；在不同的非比例应变路径下，材料的循环硬化程度、附加强化程度以及疲劳寿命均表现出对应变路径的依赖性。(2)利用扫描电子显微镜及金相显微镜观察了ZL101铸造铝合金的疲劳断口，着重分析了材料低周疲劳裂纹的萌生与扩展方式。研究发现：ZL101铸造铝合金低周疲劳裂纹的萌生与扩展均与共晶硅相有密切联系；共晶硅颗粒的断裂是疲劳微裂纹萌生的主要方式；在循环初期，疲劳微裂纹的扩展主要通过临近已断裂的共晶硅颗粒相互连接进行，长大后的微裂纹以穿过α-Al基体互相连接的方式形成贯穿性的主裂纹，并最终导致材料的破坏；疲劳条纹和α-Al基体的穿晶断裂是疲劳断口较为明显的特征。(3)利用透射电子显微镜观察了ZL101铸造铝合金多轴非比例加载低周疲劳的位错结构，分析了等效应变幅值和应变路径对位错结构的影响。结果表明:在多轴载荷下，随等效应变幅值的提高，材料的位错结构发生从交叉位错带向位错胞结构的转化。但与比例加载相比，非比例加载方式使材料在更低的等效应变幅值下便可形成胞状位错结构。等效应变幅值的增加和非比例加载方式均有利于材料形成胞状位错结构特征。ZL101铝合金组织结构的均匀程度较差，缩小了位错自由运动的空间是材料在等效应变幅值较低时难以形成胞状结构的主要原因。(4)基于ZL101铸造铝合金的低周疲劳宏观、微观试验结果，重点分析了ZL101铸造铝合金在多轴加载条件下循环变形行为的微观机理，并对材料多轴非比例加载低周疲劳寿命显著降低的原因给出了微观解释。分析表明：在不同的应变路径下，断裂硅颗粒的增长速率依赖于应变路径的变化，导致疲劳微裂纹的萌生速率及扩展速率表现出对应变路径的依赖性，这是材料的非比例加载低周疲劳寿命依赖于应变路径的主要原因；而在多轴非比例加载下，断裂共晶硅颗粒的快速增长及断裂方式上的多样性是造成材料在相同等效应变幅值下多轴非比例加载低周疲劳寿命显著低于单轴及比例加载低周疲劳寿命的主要原因。(5)利用ZL101铸造铝合金的疲劳试验结果，验证了常用的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式，并根据材料的多轴低周疲劳的微观机理，考虑应变路径和附加强化的影响，对基于临界面法的疲劳寿命估算公式进行了修正，得出的公式适用于ZL101铸造铝合金的多轴非比例加载低周疲劳寿命的估算，丰富了现有的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式。关键词：铸造铝合金，多轴疲劳，非比例加载，疲劳特性，共晶硅

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1前言

1.1.1材料的多轴低周疲劳

1.1.2轻量化材料发展对多轴低周疲劳研究的要求

1.2多轴非比例加载低周疲劳的研究现状

1.2.1多轴非比例加载低周疲劳寿命的估算方法

1.2.2多轴非比例加载低周疲劳的微观机理

1.3存在的问题及本文的主要工作

1.3.1存在的问题

1.3.2本文的主要工作及意义

第2章 疲劳试验和结果分析

2.1应力-应变空间的定义

2.2试验条件

2.2.1材料的选择及成分

2.2.2试样加工及热处理

2.2.3性能测试

2.2.4试验设备及方法

2.3试验内容

2.4疲劳失效准则

2.5单轴疲劳试验

2.5.1拉伸试验

2.5.2单轴疲劳试验

2.6多轴疲劳试验

2.6.1多轴循环特性研究

2.6.2等效应变幅值对多轴疲劳特性的影响

2.6.3应变路径对多轴疲劳特性的影响

2.7小结

第3章 疲劳断口分析

3.1试验条件

3.1.1试验内容

3.1.2试验方法

3.2试样的微观组织分析

3.3疲劳试样断口的宏观分析

3.4疲劳断口的微观分析

3.4.1疲劳裂纹的萌生

3.4.2疲劳裂纹的扩展

3.4.3断口的典型特征

3.5小结

第4章 位错结构研究

4.1试验条件

4.2试验内容

4.3原始材料的位错结构分析

4.4应变幅值对ZL101铸造铝合金位错结构的影响

4.4.1单轴加载下应变幅值对材料位错结构的影响

4.4.2比例路径加载下应变幅值对材料位错结构的影响

4.4.3非比例圆形路径加载下应变幅值对材料位错结构的影响

4.5应变路径对ZL101铸造铝合金位错结构的影响

4.6 ZL101铸造铝合金位错结构的演变

4.7小结

第5章疲劳微观机理分析

5.1金属材料中的位错运动及位错结构

5.2 ZL101铸造铝合金低周疲劳循环变形行为的微观机理

5.2.1非比例循环附加强化的微观机理

5.2.2应变路径对非比例循环附加强化的影响

5.2.3应变幅值对ZL101铸造铝合金低周疲劳循环变形行为的影响

5.3 ZL101铸造铝合金低周疲劳寿命的微观机理

5.3.1 ZL101铸造铝合金的低周疲劳断裂过程

5.3.2应变路径对ZL101铸造铝合金多轴低周疲劳寿命影响的微观机理

5.3.3应变幅值对ZL101铸造铝合金低周疲劳寿命影响的微观机理

5.4小结

第6章 多轴非比例加载低周疲劳寿命估算方法

6.1疲劳寿命估算中相关参量的确定

6.2现有的多轴低周疲劳寿命估算方法的验证及修正

6.2.1等效应力-应变法

6.2.2能量法

6.2.3临界面法

6.3不同非比例应变路径下的低周疲劳寿命预测

6.4小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3进一步工作的方向

致谢

参考文献

附录：主要符号表

个人简历 在读期间发表的学术论文及研究成果