不同工艺条件下A356铝合金组织和热疲劳性能的研究

发布时间：2017-10-20 12:05

  本文关键词：不同工艺条件下A356铝合金组织和热疲劳性能的研究

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【摘要】：当前,各国政府对汽车制造业提出了轻量化、降低汽车能耗、减少污染、提高燃料经济性的要求。A356铝合金因其质量轻、价格适中、比强度高等优点被广泛用于制造汽车传动装置、发动机、轮毂和车身结构件等以实现节能减排目标。但是,近来发现发动机内部众多铝制零部件,如缸体、缸盖、活塞等,在发动机的启动和停止过程由于受到较高的热应力应变冲击发生热疲劳破坏,严重影响其使用寿命并存在较大的安全隐患。如何提高铝合金的热疲劳性能,拓展其在除汽车行业以外其他高温变温领域的应用,成为迫在眉睫的重要难题。为此,本文以A356铝合金为基体材料,采用复合细化变质、微合金化和T6热处理制备出试验所需5种试样:铸态、复合细化变质态、复合细化变质+T6热处理态、复合细化变质+微合金化态、复合细化变质+微合金化+T6热处理态。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和光学显微镜分析(OM)、力学性能测试等手段,研究不同工艺对A356合金的力学性能、微观组织特征相的形态及分布,分析其变化规律和作用机理。利用自约束型热疲劳实验机研究不同工艺制备的合金在不同温度幅下的热疲劳性能,分析热疲劳裂纹生长行为及机理。在本试验条件下,得出以下主要结论:1、与铸态A356合金相比,复合细化变质、微合金化和T6热处理三种工艺均能提高A356合金的力学性能。其中,A356合金经复合细化变质+微合金化+T6热处理复合工艺后,力学性能提高最为显著。抗拉强度达345MPa,延伸率达12.3%,布氏硬度为118HB。2、与铸态A356合金相比,复合细化变质、微合金化和T6热处理三种工艺均能改善A356合金的热疲劳性能。复合细化变质+微合金化+T6热处理态的A356合金的力学性能、成分均匀性及其微观组织均匀性最好,该工艺可以制备热疲劳性能最佳的A356合金。另外,随热疲劳实验中上限温度的升高,合金的热疲劳寿命会显著减少,建议合金应用领域温度不超过400℃。3、5种工艺制备的A356合金裂纹萌生过程相似,即微型凹坑→微观氧化层内产生微坑→微坑长大、数量变多→微裂纹→裂纹源,主要原因是基体与第二相之间的膨胀系数不同,在氧化作用的协同作用下促进裂纹源的形成。扩展初期,裂纹生长方式以沿晶为主;扩展后期,裂纹生长方式以沿晶与穿晶混合为主。裂纹扩展方式可以用塑性钝化模型来解释。4、5种工艺制备的A356合金的热疲劳裂纹生长速率呈先增大后减小的趋势,扩展速率取决于裂纹前端应力场的应力强度因子。在裂纹扩展期间,没有脱离基体的第二相颗粒如Al2Cu相以及形成二次裂纹、裂纹分叉均能起到降低扩展速率的作用。5、受Si相形貌和分布影响,裂纹扩展主要有两种方式:“穿过”机制和"绕过”机制。在冷热循环初期,氧化腐蚀生成的氧化膜能够保护基体。随冷热循环次数的增加,氧化膜不断遭到破坏,氧化腐蚀产生的附加应力和循环交变应力相互叠加,加快裂纹生长。
【关键词】：A356 复合工艺 微观组织 热疲劳性能 裂纹萌生与扩展
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 铝硅合金概述11-12
• 1.2 提高铝硅合金性能的主要途径12-20
• 1.2.1 合金化12-14
• 1.2.2 细化变质处理14-18
• 1.2.3 热处理18-20
• 1.3 铝硅合金的热疲劳性能20-22
• 1.3.1 热疲劳研究的历史与现状20-21
• 1.3.2 影响材料热疲劳性能的因素21-22
• 1.3.3 热疲劳试验方法22
• 1.4 热疲劳裂纹生长机理22-25
• 1.4.1 热疲劳裂纹的萌生22-23
• 1.4.2 热疲劳裂纹的扩展23-25
• 1.5 本文研究目的与意义25-27
• 第二章 试验材料和方法27-34
• 2.1 研究路线27
• 2.2 实验材料27-28
• 2.3 试验设备28
• 2.4 试验过程28-29
• 2.4.1 熔炼浇注过程28
• 2.4.2 试样状态和编号28-29
• 2.5 合金性能测试和组织观察29-34
• 2.5.1 力学性能测试29-31
• 2.5.2 微观组织分析31
• 2.5.3 热疲劳实验31-34
• 第三章 不同工艺条件下A356合金的组织及力学性能34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 力学性能测试34-35
• 3.3 显微组织观察35-36
• 3.4 复合细化变质机理分析36-39
• 3.5 微合金化形成第二相分析39-41
• 3.6 T6热处理的影响41-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第四章 不同工艺条件下A356合金的热疲劳性能44-55
• 4.1 引言44-45
• 4.2 温度幅对裂纹萌生寿命的影响45-46
• 4.3 温度对裂纹生长行为的影响46-48
• 4.4 不同工艺条件下A356热疲劳裂纹形貌48-54
• 4.4.1 冷热循环4000次后的热疲劳裂纹形貌48-50
• 4.4.2 冷热循环6000次后的热疲劳裂纹形貌50-51
• 4.4.3 冷热循环8000次后的热疲劳裂纹形貌51-52
• 4.4.4 冷热循环10000次后的热疲劳裂纹形貌52-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 A356合金热疲劳裂纹的生长行为及机理55-73
• 5.1 A356合金热疲劳裂纹的生长行为55-62
• 5.1.1 Si相形貌对热疲劳裂纹扩展的影响55-57
• 5.1.2 第二相对热疲劳裂纹生长行为的影响57-58
• 5.1.3 缩松、针孔缺陷对热疲劳裂纹产生的影响58-59
• 5.1.4 高温氧化作用59-61
• 5.1.5 热疲劳裂纹分叉与二次裂纹61-62
• 5.2 A356合金热疲劳裂纹生长机理62-71
• 5.2.1 热疲劳裂纹萌生机理63-68
• 5.2.2 热疲劳裂纹扩展机理68-71
• 5.3 本章小结71-73
• 第六章 结论73-75
• 展望75-76
• 参考文献76-81
• 致谢81-82
• 硕士期间发表论文及其他科研成果82

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本文编号：1067040