基于声发射和红外热像法对AZ31B镁合金断裂行为及断裂机理的研究

发布时间：2018-03-31 08:21

本文选题：AZ31B镁合金　切入点：红外热像法　出处：《太原理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：镁合金是常见的结构材料中密度最小的金属材料,基于密度低的优势,镁合金的应用得到各领域广泛的重视。随着镁合金成型工艺的研究,镁合金的综合力学性能得到进一步提高,镁合金在交通运输,医疗,以及航空航天等领域的应用更加广泛。镁合金的的晶体结构为密排六方结构,滑移系少,材料的塑性、断裂韧度比较差,变形过程中有明显的孪生现象。因此,研究镁合金的动静断裂行为对镁合金的应用具有长远的意义。借助于先进无损检测手段,即红外热成像技术与声发射技术(AE),研究固体材料变形过程能量耗散引起的材料表面温度变化和位错滑移、孪生以及裂纹萌生现象产生的声发射信号,利用红外温度特征和声发射信号对材料的相关力学性能进行分析,可以对材料及其焊接结构在静载或者动载作用过程的状态进行实时监测与分析,研究对于保证材料结构在服役过程的安全具有重要的意义。本文采用红外热像与声发射方法分别对AZ31B镁合金断裂韧度试验过程中试件表面的温度分布特征和断裂过程裂纹尖端释放的声发射信号特征进行了研究,分析了镁合金静态和动态断裂过程的断裂行为。此外,用红外热成像技术研究了镁合金轴向拉伸和三点弯曲疲劳行为。试验获得了AZ31B镁合金断裂韧度试验的载荷-裂纹张开位移(P-V)曲线,试样的拉伸曲线以及三点弯曲疲劳试验的应力寿命曲线(S-N)。借助于红外和声发射技术,获得了断裂韧度试样在断裂韧度测试过程的表面温度变化曲线和AE信号演化相关曲线。在拉伸和疲劳测试过程中,用红外热成像技术获得了试样的静态轴向拉伸过程中温度变化曲线,以及三点弯曲疲劳试验过程中试样拉伸区的温度演化相关曲线。断裂韧度试验是一种典型的静态断裂过程,断裂过程中伴随着相对明显的能量累积与释放过程。因此,本文同时采用上文提到的红外与声发射方法对镁合金断裂韧度试验过程的红外和ae特征进行了研究。试验获得了az31b镁合金断裂韧度试验的载荷-裂纹张开位移(p-v)曲线。借助于红外和ae技术,获得了断裂韧度试样在断裂韧度测试过程的表面温度变化曲线和ae信号演化相关曲线,结果表明,az31b镁合金断裂韧度试验的p-v曲线,t-t曲线以及累计振铃计数时间曲线(ccum-t)都可分为三个阶段,第一,第二阶段的时域分界点重合,而且拉伸孪晶在试样断裂过程起到重要的作用。在裂纹萌生达到最大载荷之前,在载荷位移曲线上可以看到明显的非线性变形和加工硬化现象。根据断裂曲线,微观结构演化和ebsd分析表明拉伸孪晶-{1012}主要出现在金属裂纹尖端之前的区域。此外,研究证明拉伸孪晶通过减少裂纹在三维方向的扩展在增强缺口断裂试样的断裂韧度起到关键的作用。采用ebsd和sem对az31b合金的微观组织进行了分析,结合ae信号的特征与微观组织。讨论ae源产生,得出试样断裂在不同阶段具有不同形式的损伤机理。在三个阶段的损伤机理如下:第一阶段p-v曲线的特征是线性上升,变形以位错滑移为主,由于变形量很小,只产生少量的孪晶;第二阶段曲线为非线性上升,在这一阶段为了协调变形,镁合金产生了大量的孪晶;最后是试样失稳阶段,载荷下降,裂纹扩展迅速。此外,用红外热成像技术研究了镁合金轴向拉伸和三点弯曲疲劳行为,获得了试样的拉伸曲线以及三点弯曲疲劳试验的应力寿命曲线(s-n)。在az31b准静态拉伸试验中,用红外热成像系统实时记录试样表面温度的变化数据。讨论了az31b镁合金的拉伸曲线和温度变化曲线之间的联系,对拉伸试验过程中试样表面温度变化的机理进行了分析,并根据热弹性效应提出了采用试样变形过程的温度变化曲线估算镁合金弹性极限的方法,以及利用温升变化速率预测试样变形过程应力集中系数的公式。为了研究AZ31B镁合金动态断裂行为,本文分析了AZ31B镁合金三点弯曲疲劳行为。在疲劳过程中,用红外热像仪实时记录了试样表面温度变化数据。对产热和传热特征进行了描述,并且分析了温度和应力之间的关系。三点弯曲疲劳试验过程中,试验表面温度演变经历了四个阶段:(Ⅰ)初始温升阶段,(Ⅱ)温度下降阶段,(Ⅲ)温度稳定阶段,(Ⅳ)温度突升阶段。用扫面显微镜试样断口进行了分析,结果显示试样断裂机理为准解离断裂。为了分析温度变化的原因分析了孪晶的变化特征。基于疲劳破坏累计理论建立了一个用于预测AZ31B镁合金试样疲劳寿命的一个理论公式。采用Luong法获得的疲劳强度为128.97MPa,试验结果为133.87MPa,两者非常接近,预测模型的结果为137.33MPa,与试验结果几乎一致。最后,本文用SEM对三种试样断口进行了分析,采用金相分析技术和EBSD技术分析镁合金试样断裂前后试样的晶粒变化,孪生现象以及织构的变化。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.22

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