梯度纳米化镁合金表面强化机制及疲劳失效机理研究
发布时间：2023-05-10 04:53
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。...
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 金属材料表面纳米化技术
1.2.1 表面涂层或沉积技术
1.2.2 表面自纳米化技术
1.2.3 混合纳米化技术
1.2.4 超声表面滚压纳米化技术
1.3 镁合金塑性变形机理
1.3.1 镁合金中的滑移
1.3.2 镁合金中的孪生
1.3.3 镁合金塑性变形研究进展
1.4 有限元数值模拟技术的研究进展
1.5 疲劳性能的影响因素
1.5.1 应力集中的影响
1.5.2 表面状态的影响
1.5.3 残余应力的影响
1.5.4 冶金因素的影响
1.5.5 显微组织的影响
1.5.6 介质的影响
1.5.7 温度的影响
1.6 课题研究的主要内容和意义
第2章 实验材料、方法及设备
2.1 实验材料
2.2 试样准备
2.3 实验设备
2.3.1 超声表面滚压设备
2.3.2 疲劳试验设备
2.3.3 纳米压痕试验设备
2.4 材料性能测试方法
2.4.1 金相组织观察分析方法
2.4.2 透射电镜试验分析方法
2.4.3 X射线衍射分析方法
2.4.4 显微硬度测试分析方法
2.4.5 扫描电镜试验分析方法
2.4.6 残余应力测试分析方法
2.4.7 晶粒尺寸测量分析方法
第3章 超声表面滚压AZ31B镁合金显微组织和性能分析
3.1 引言
3.2 纳米化铸造态AZ31B镁合金金相显微组织分析
3.3 纳米化铸造态AZ31B镁合金透射显微组织分析
3.4 纳米化铸造态AZ31B镁合金XRD分析
3.5 纳米化铸造态AZ31B镁合金显微硬度分析
3.6 纳米化挤压态AZ31B镁合金金相显微组织分析
3.7 纳米化挤压态AZ31B镁合金透射显微组织分析
3.8 纳米化挤压态AZ31B镁合金XRD分析
3.9 纳米化挤压态AZ31B镁合金显微硬度分析
3.10 纳米化挤压态AZ31B镁合金纳米压痕实验结果分析
3.10.1 纳米压痕实验弹性模量结果分析
3.10.2 纳米压痕实验P-H特征曲线结果分析
3.11 本章小结
第4章 数值方法拟合材料弹塑性力学性能
4.1 引言
4.2 数值模拟建模理论基础
4.2.1 幂函数本构模型
4.2.2 量纲分析
4.3 纳米压痕数值模拟模型建立
4.3.1 有限元模型的建立与网格划分
4.3.2 边界条件及加载方式
4.4 纳米压痕数值模拟过程
4.4.1 典型塑性应力
4.4.2 典型塑性应变
4.4.3 应变强化因子
4.5 纳米压痕数值模拟结果分析
4.5.1 弹塑性性能参数结果分析
4.5.2 幂函数本构关系结果分析
4.5.3 P-h曲线结果对比分析
4.5.4 数值模拟应力、应变场分析
4.6 梯度变形层晶粒尺寸与力学性能关系分析
4.7 本章小结
第5章 超声表面滚压挤压态AZ31B镁合金疲劳断裂机理分析
5.1 引言
5.2 疲劳实验结果分析
5.3 疲劳实验S-N曲线分析
5.4 疲劳断口分析
5.4.1 挤压态AZ31B镁合金母材疲劳断口分析
5.4.2 纳米化挤压态AZ31B镁合金疲劳断口分析
5.5 疲劳寿命提高机理分析
5.5.1 表面粗糙度对疲劳性能的影响分析
5.5.2 残余应力对疲劳性能的影响分析
5.5.3 晶粒细化、应变硬化对疲劳性能的影响分析
5.5.4 疲劳寿命角度分析提高疲劳性能的最主要因素
5.6 本章小结
第6章 结论
参考文献
攻读硕士学位期间取得的主要成果
致谢
本文编号：3813070
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 金属材料表面纳米化技术
1.2.1 表面涂层或沉积技术
1.2.2 表面自纳米化技术
1.2.3 混合纳米化技术
1.2.4 超声表面滚压纳米化技术
1.3 镁合金塑性变形机理
1.3.1 镁合金中的滑移
1.3.2 镁合金中的孪生
1.3.3 镁合金塑性变形研究进展
1.4 有限元数值模拟技术的研究进展
1.5 疲劳性能的影响因素
1.5.1 应力集中的影响
1.5.2 表面状态的影响
1.5.3 残余应力的影响
1.5.4 冶金因素的影响
1.5.5 显微组织的影响
1.5.6 介质的影响
1.5.7 温度的影响
1.6 课题研究的主要内容和意义
第2章 实验材料、方法及设备
2.1 实验材料
2.2 试样准备
2.3 实验设备
2.3.1 超声表面滚压设备
2.3.2 疲劳试验设备
2.3.3 纳米压痕试验设备
2.4 材料性能测试方法
2.4.1 金相组织观察分析方法
2.4.2 透射电镜试验分析方法
2.4.3 X射线衍射分析方法
2.4.4 显微硬度测试分析方法
2.4.5 扫描电镜试验分析方法
2.4.6 残余应力测试分析方法
2.4.7 晶粒尺寸测量分析方法
第3章 超声表面滚压AZ31B镁合金显微组织和性能分析
3.1 引言
3.2 纳米化铸造态AZ31B镁合金金相显微组织分析
3.3 纳米化铸造态AZ31B镁合金透射显微组织分析
3.4 纳米化铸造态AZ31B镁合金XRD分析
3.5 纳米化铸造态AZ31B镁合金显微硬度分析
3.6 纳米化挤压态AZ31B镁合金金相显微组织分析
3.7 纳米化挤压态AZ31B镁合金透射显微组织分析
3.8 纳米化挤压态AZ31B镁合金XRD分析
3.9 纳米化挤压态AZ31B镁合金显微硬度分析
3.10 纳米化挤压态AZ31B镁合金纳米压痕实验结果分析
3.10.1 纳米压痕实验弹性模量结果分析
3.10.2 纳米压痕实验P-H特征曲线结果分析
3.11 本章小结
第4章 数值方法拟合材料弹塑性力学性能
4.1 引言
4.2 数值模拟建模理论基础
4.2.1 幂函数本构模型
4.2.2 量纲分析
4.3 纳米压痕数值模拟模型建立
4.3.1 有限元模型的建立与网格划分
4.3.2 边界条件及加载方式
4.4 纳米压痕数值模拟过程
4.4.1 典型塑性应力
4.4.2 典型塑性应变
4.4.3 应变强化因子
4.5 纳米压痕数值模拟结果分析
4.5.1 弹塑性性能参数结果分析
4.5.2 幂函数本构关系结果分析
4.5.3 P-h曲线结果对比分析
4.5.4 数值模拟应力、应变场分析
4.6 梯度变形层晶粒尺寸与力学性能关系分析
4.7 本章小结
第5章 超声表面滚压挤压态AZ31B镁合金疲劳断裂机理分析
5.1 引言
5.2 疲劳实验结果分析
5.3 疲劳实验S-N曲线分析
5.4 疲劳断口分析
5.4.1 挤压态AZ31B镁合金母材疲劳断口分析
5.4.2 纳米化挤压态AZ31B镁合金疲劳断口分析
5.5 疲劳寿命提高机理分析
5.5.1 表面粗糙度对疲劳性能的影响分析
5.5.2 残余应力对疲劳性能的影响分析
5.5.3 晶粒细化、应变硬化对疲劳性能的影响分析
5.5.4 疲劳寿命角度分析提高疲劳性能的最主要因素
5.6 本章小结
第6章 结论
参考文献
攻读硕士学位期间取得的主要成果
致谢
本文编号：3813070
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