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梯度纳米化镁合金表面强化机制及疲劳失效机理研究

张艳君  
【摘要】:当前,随着航空航天、高速列车、武器装备等领域的快速发展,对关键零部件的轻量化、环保化和长寿命提出了越来越严格的要求,镁合金替代铝合金成为了发展的必然趋势,然而镁合金结构件的安全使用性能却成为了制约其广泛应用的关键因素。因此,本文利用超声表面滚压技术对AZ31B镁合金进行处理,并对镁合金表面强化机理、微观尺度力学行为以及疲劳失效机制等关键科学问题展开研究。(1)对超声表面滚压处理后镁合金的表面强化机理进行详细研究,结果表明:在变形初始阶段,孪生变形为主要变形机制;随着应变的增加,大量滑移系统被激活,位错和孪晶交替作用;同时,也将诱发产生动态再结晶。多种细化机制协调作用最终实现了材料表面纳米化,挤压态AZ31B镁合金变形层晶粒尺寸最小可以达到17.26 nm,晶粒细化效果十分显著。(2)根据弹塑性幂函数本构模型,借助有限元数值模拟分析方法对表面处理后挤压态AZ31B镁合金的微观尺度力学行为进行反分析,获得了各梯度纳米化变形层的弹塑性力学性能参数及其弹塑性本构关系,并对各层应力-应变曲线进行了预测。最后,获得了适用于UIRP处理后挤压态AZ31B镁合金的晶粒尺寸与力学性能之间的数学关系模型。(3)对超声表面滚压处理前后镁合金的疲劳断裂机理进行研究,结果表明:表面强化处理后镁合金的疲劳强度从140 MPa提高到180 MPa,提高了28.6%;疲劳断口分析显示处理前后试样的裂纹源位置从最表面转移到次表面,说明处理后AZ31B镁合金表面的应力状态得到了改善,抑制了裂纹的产生。并从表面粗糙度、残余压缩应力、晶粒细化、应变硬化等角度分析其对镁合金疲劳性能的影响,为提高镁合金疲劳寿命提供了理论依据。


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