环境湿度对于铸铝合金超声疲劳行为的影响研究

发布时间：2018-07-18 12:12

【摘要】：在现代汽车工业当中汽车的轻量化设计已经成为了提高汽车燃油经济性的重要手段。铸铝合金拥有较高的强重比和优良的导热以及抗腐蚀性能使其成为代替汽车发动机传统铸铁部件的主要材料。汽车发动机的主要部件如缸盖、连杆、活塞等在设计使用年限内需要经受超过108次交变载荷的作用,所以对材料在超高周次循环下疲劳行为的研究变得越来越重要。然而传统的材料疲劳试验受加载频率的限制常常局限于107次交变载荷之内,因此传统的材料疲劳试验方法不能够满足现代汽车发动机部件对耐久性的设计要求。超声疲劳试验方法利用压电效应将20kHz电信号转化为相同频率的机械信号激励试验件达到共振状态(20kHz),试验频率的增加极大的降低了疲劳试验所需要的时间,便捷了人们对材料在超高周次循环下疲劳行为的研究。然而对比铸铝合金材料的超声疲劳试验寿命和常规疲劳试验寿命发现,铸铝合金材料的超声疲劳试验寿命往往高于其常规疲劳试验寿命。目前很多学者将这种疲劳寿命的差异归咎为试验环境湿度的影响:由于超声疲劳试验的频率远高于常规疲劳试验的频率,因此超声疲劳裂纹在扩展过程中的张开的时间远小于常规疲劳裂纹在扩展过程中的张开时间,所以环境湿度对于超声疲劳裂纹扩展速率的影响远小于环境湿度对于常规疲劳裂纹扩展速率的影响,导致铸铝合金的超声疲劳寿命高于其常规疲劳寿命。本文针对Al-Si系列铸铝合金,开展了不同环境湿度下的超声疲劳寿命试验、常规疲劳寿命试验研究,不同环境湿度下的超声疲劳裂纹扩展试验以及铸铝合金超声疲劳寿命对于环境湿度敏感性的控制因素研究。本文的主要工作和结论总结如下:(1)开展了环境湿度对于铸铝合金超声疲劳寿命的影响研究。通过试验发现环境湿度能够显著的降低铸铝合金AS7GU-T64和A356-T6的超声疲劳寿命,同时在这两种材料的超声疲劳断口中发现了大量的疲劳“平台”。利用OM、SEM和EBSD等分析检测手段对超声疲劳和常规疲劳断口特征进行了分析,首次系统性的阐述了铸铝合金疲劳断口中疲劳“平台”的形成机理。由于试验件的铸造缺陷含量非常低,在循环载荷的作用下初始裂纹通常会在试验件表面通过驻留滑移带(PSBs)的累积产生。初始萌生的裂纹扩展速率非常缓慢,当裂纹尖端塑性区内晶粒滑移面的方向与载荷方向成450(剪切应力最大)时,晶粒滑移面内的塑性变形在循环载荷的作用下会迅速累积。当疲劳裂纹扩展至晶粒时,裂纹会沿着滑移面扩展从而穿过整个晶粒形成疲劳“平台”。(2)搭建了基于Labview软件的信号采集平台,实现了超声疲劳反馈信号的高精度采集和超声非线性参数relβ的精确计算,同时提出了一种采用超声非线性参数relβ监测材料超声疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的方法。该方法通过超声非线性参数relβ与超声疲劳寿命的变化关系,当relβ的变化斜率大于某一临界值时,超声疲劳裂纹开始失稳扩展。通过对比发现超声非线性参数relβ对于疲劳损伤的敏感性远高于固有频率。最后通过试验发现环境湿度不仅降低了铸铝合金A356-T6的超声疲劳裂纹扩展寿命,而且减少了其超声疲劳裂纹萌生寿命。(3)开展了环境湿度对于铸铝合金超声疲劳裂纹扩展速率的影响研究。通过试验发现环境湿度能够加快铸铝合金A356-T6的超声疲劳裂纹扩展速率,同时还发现峰值时效(T6)热处理状态的铸铝合金对于环境湿度的敏感性要小于过时效(T7)热处理状态的铸铝合金。因此对仅考虑过时效热处理铸铝合金材料在湿度环境中裂纹扩展速率预测的Wei模型进行了修正,取水蒸气压力P与试验频率f比值的平方根,减小湿度的影响,首次得到了峰值时效热处理后的铸铝合金裂纹扩展速率预测模型。通过50%湿度环境下铸铝合金A356-T6超声疲劳裂纹扩展速率曲线预测结果与试验结果对比表明,本文改进发展后的模型比Wei建立的模型的预测结果更好,与试验结果的吻合度更高。(4)研究了铸铝合金超声疲劳寿命对于环境湿度敏感性的控制因素。通过分析七种铸铝合金疲劳数据,发现不同的铸铝合金的超声疲劳寿命对于环境湿度的敏感性不一样,其中峰值时效热处理后的铸铝合金的超声疲劳寿命受环境湿度的影响最大,而欠时效和过时效热处理后的铸铝合金的超声疲劳寿命受环境湿度影响最小。在Cu元素含量相同的情况下,材料的屈服强度是铸铝合金超声疲劳寿命对于环境湿度敏感性的控制因素。
[Abstract]:In this paper , the influence of environmental humidity on the fatigue behavior of cast aluminum alloy is studied by using piezoelectric effect . The fatigue life of cast aluminum alloy is much less than that of conventional fatigue test . ( 4 ) The influence of ultrasonic fatigue life of cast aluminum alloy on environmental humidity sensitivity was studied . By analyzing the fatigue data of seven kinds of cast aluminum alloys , it was found that the ultrasonic fatigue life of different cast aluminum alloys was not the same as that of ambient humidity . The ultrasonic fatigue life of cast aluminum alloy after peak aging heat treatment was most affected by ambient humidity .
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21

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