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Al-Si-Cu-Mg-(RE)系铸造铝合金的疲劳行为及其损伤机理

车欣  
【摘要】:Al-Si-Cu-Mg系铸造铝合金具有较高的力学性能及良好的铸造性能,其优良的综合性能使其应用非常广泛,已成为装备制造业中最受重视的结构材料之一。随着航空工业和汽车工业的迅速发展,对铝合金的性能提出了越来越高的要求,而稀土微合金化一直是提高合金性能并进一步开发新型铝合金的重要手段。近年来,由于现代工业生产日益向轻量化与高强度载荷的方向发展。工程应用中的许多关键构件都不同程度地受到交变载荷的作用,疲劳失效已成为许多工程领域中关系到结构的使用安全性与经济性的一个重要因素。尽管人们已经对铝合金的疲劳行为进行了一定程度的研究,但关于含稀土铝合金疲劳问题的研究还仅仅是一些规律性的认知,对于稀土元素以及加工处理状态对其低周疲劳行为的影响及作用机理尚缺乏全面系统的理解。显然,针对Al-Si-Cu-Mg系铸造铝合金的微观组织结构与疲劳性能开展研究不仅可为新型铸造铝合金的开发奠定理论基础,也可为铸造铝合金结构件的安全设计和合理使用提供可靠的理论依据。为此,本文的研究工作主要是围绕不同加工处理状态的Al-Si-Cu-Mg系铸造铝合金在低周疲劳加载条件下的循环应力响应行为、疲劳寿命行为以及疲劳变形与断裂机理等方面开展,并确定出稀土元素以及不同加工处理状态对其低周疲劳性能的影响规律。 显微组织观察结果表明,金属型铸造Al-Si-Cu-Mg合金中加入稀土元素Sc或Er后,可显著细化α-Al基体相晶粒;同时,稀土元素Sc或Er具有优良的变质作用,可明显减小片状共晶Si相的尺寸,促进α-Al基体相晶粒由枝状晶转变为等轴晶。金属型铸造Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)合金经过固溶处理后,粗大的片状共晶Si相转变成较为细小的球状或卵状;加入稀土元素Sc或Er可以促进与基体保持半共格关系的θ’(Al2Cu)相在时效过程中的析出。与金属型铸造工艺相比,压力铸造可以显著细化Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)合金的组织,加入稀土元素Sc或Er后可进一步细化压铸态合金的显微组织,但其对共晶Si的变质作用则相对较小。 低周疲劳加载条件下,Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)铸造铝合金可以表现为持续循环硬化或初期循环硬化后期循环稳定,主要取决于合金的类型、加工处理状态及外加总应变幅的高低;稀土元素Sc或Er的加入可有效地提高不同加工处理状态的Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金的循环变形抗力和低周疲劳寿命;对于铸造态、固溶+时效态金属型铸造合金以及压铸态合金,加入稀土元素Sc对提高合金的循环变形抗力的效果较Er元素更为显著,而对于固溶态金属型铸造合金,稀土元素Er对合金的循环变形抗力的提高幅度更大。不同的加工处理状态也会对Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)合金的低周疲劳性能产生显著的影响:与金属型铸造工艺相比,固溶+时效处理和压力铸造均可以显著提高合金的循环变形抗力,固溶处理和固溶+时效处理可以提高合金的低周疲劳寿命,而压力铸造则可以提高合金在较低外加总应变幅下的低周疲劳寿命。对于铸造态、固溶态金属型铸造Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)合金以及压铸态合金,其弹性应变幅、塑性应变幅与疲劳断裂时的载荷反向周次之间呈直线关系,而固溶+时效态金属型铸造合金的弹性应变幅与载荷反向周次之间呈直线关系,但其塑性应变幅与载荷反向周次之间则呈双线性关系。在较低的外加总应变幅下,不同加工处理状态的Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)合金的循环塑性变形机制为平面滑移,而在较高的外加总应变幅下则为波状滑移。 低周疲劳断口分析结果表明,不同加工处理状态的Al-Si-Cu-Mg-(Sc, Er)合金的疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于试样的表面,并且以穿晶方式扩展,其中压铸态合金表现出准解理断裂特征。


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