深冷、激光冲击对铝青铜合金组织和热疲劳性能的影响

发布时间：2020-06-29 12:44

【摘要】：铝青铜具有优异的综合力学性能,被广泛应用与航天航空、海洋、石油石化工业等工程机械中,是现代工业中不可缺少的材料。随着现代工业的发展,铝青铜制件在重载、腐蚀介质以及较高循环应力等工况条件下稳态运行、起动停机或工况突变时极易出现热疲劳损伤。热疲劳是一个复杂的力学损伤和组织蜕变过程,一般不发生明显的塑性变形,所以很难检测和预防,其潜在危险性极大,一旦发生事故往往是灾难性的。如何提高铝青铜合金的热疲劳性能以适应高科技领域应用需求,这一问题急需解决。基于此,本文研究了固溶时效、深冷、激光冲击及其复合处理对ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金微观组织、力学性能以及在室温至450℃下的热疲劳行为。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、光学显微镜(OM)、扫描探针显微镜以及基本力学测试手段对合金的力学性能、显微组织、表面形貌进行观察,分析变化规律和强化机理。通过LRS1200型热疲劳试验机测试不同工艺强化后合金的热疲劳性能,观察热疲劳裂纹萌生与扩展规律,分析抗热疲劳性能的强化机理。经研究得到以下结论:(1)(950±5)℃×1 h固溶处理+(350±5)℃×1 h时效处理+深冷2 h复合处理工艺能够显著改善ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金的力学性能和微观组织。与T6处理相比,其抗拉强度、硬度以及伸长率分别提高了7.28%、16.96%和23.53%;其α相进一步细化且分布更加均匀,位错密度增加,使得合金整体的组织均匀性、致密性更好。综合性能的提高也有效地提高了合金的热疲劳性能,其抗热应力和氧化腐蚀的能力增强。与铸态、T6态、深冷态合金相比,在相同冷热循环次数下,疲劳裂纹长度最短,裂纹生长速率最慢。(2)光斑直径3.0 mm,搭接率50%,能量4 J的激光冲击能够显著提高ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金热疲劳性能。与铸态合金相比,激光冲击后合金强化区表层粗糙度提高17.88%的同时产生-268.5 MPa残余压应力,位错大量增殖、合金晶粒显著细化,β相及富铁κ相从α相中析出,硬度提高38.88%,在以上因素同时作用下合金抗高温氧化能力增强、抗热疲劳性能显著提高。热疲劳裂纹扩展至激光冲击强化区时,裂纹尖端闭合不再向前扩展。(3)深冷处理、激光冲击及其复合处理后:1)合金组织致密度提高、孔洞等缺陷减少、晶粒尖角钝化,裂纹萌生源减少,因此合金裂纹萌生抗力提高;2)强化相析出、产生高密度位错、晶粒细化,抗高温氧化能力增强,因此阻碍热疲劳裂纹扩展;3)残余压应力抵消循环过程中产生的拉应力,降低总热应力,提高ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金热疲劳裂纹萌生抗力。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.21;TG665;TG156
【图文】：

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江苏大学硕士学位论文7图1.2 激光冲击原理示意图[37-39]Fig.1.1 Schematic representation of the laser peening激光冲击强化对材料的抗疲劳性能具有卓越的提升效果，近年来一直是研究热点，其于其他表面强化工艺相比具有以下优点[40-43]：（1）产生高幅残余压应力。于普通机械加工相比，激光冲击的冲击波峰值达到数 GPa，其在金属表面产生的效果层深是机械喷丸数十倍，极大提升了金属疲劳寿命。（2）耗能低，时间短。仅激光束的单脉冲能量就可高达几十焦耳，并且 10%的光能可以在几十秒内转化为冲击波，形成激光束光斑面积大小的冲击强化区。大约 30kW 的负荷可以完成激光冲击强化的过程。（3）应变率高。冲击波在短短几十纳秒内应变率达 106s-1，比普通的机械冲压的应变率高 104倍

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江苏大学硕士学位论文9图1.3 疲劳裂纹扩展的规律曲线[53-55]Fig.1.3 Regular curve of fatigue crack propagation图 1.3 所示 A、B、C 不同扩展区裂纹的扩展特征不尽相同，其具体特征如表 1.1 所示。表1.1 不同扩展区的疲劳裂纹扩展特征[53-55]Table.1.1 Characteristics of fatigue crack propagation in different propagation zones1.3.3 裂纹扩展机制在冷热循环过程中合金内部产生热应力，材料表面如氧化腐蚀、孔洞等缺陷处易产生应力集中，为热疲劳裂纹的萌生提供动力。而热疲劳裂纹萌生后向材料内部扩展过程中，其影响因素不仅仅是冷热循环产生的交变应力，材料本身组织也有重要影响。裂纹在扩展过程中主要有以下三种方式：（1）沿晶扩展在冷热循环过程中材料内部产生的交变热应力作用下，若材料的塑性较差，则在晶界处容易发生应力集中，氧化物和第二相析出，阻碍位错运动，材料难以发生塑性变形，因此晶界处易首先萌生热疲劳裂纹并沿着晶界向前扩展。而塑性较好的材料晶界处强度较高，当交变热应力较低时不易在晶界处萌生裂纹；热应力为材料内部的位错运动提供动力

【参考文献】