压力和铁含量对Al-Zn-Mg-Cu合金低周疲劳行为的影响

发布时间：2017-11-22 12:19

  本文关键词：压力和铁含量对Al-Zn-Mg-Cu合金低周疲劳行为的影响

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【摘要】：挤压铸造是一种结合了铸造和锻造特点的高效近净成形技术,可获得晶粒细小、组织致密、性能优异的铸件。采用挤压铸造技术制备的Al-Zn-Mg-Cu合金可广泛应用于航空、航天等领域,但这类合金对Fe元素含量的控制非常严格。随着航空航天等领域的发展,对高强铝合金的性能要求越来越高,且高强铝合金在实际服役的过程中经常是承受交变应力或者循环应力,因此,研究压力和铁含量对Al-Zn-Mg-Cu合金疲劳行为的影响具有重要意义。本文针对挤压铸造工艺制备的含0.01Fe、0.33Fe和0.55Fe的Al-7.1 Zn 2.4 Mg 2.1 Cu合金(wt%,下同),采用低周疲劳实验,结合金相分析、XRD、SEM、TEM等手段,研究了压力和铁含量对T4态合金低周疲劳行为的影响。取得了以下结果:通过挤压铸造技术制备的含0.01Fe、0.33Fe和0.55Fe的Al-Zn-Mg-Cu合金,75MPa压力下(T4态)的抗拉强度和伸长率典型值分别为493MPa、19.3%,472MPa、10.8%,464MPa、8.9%,均较0MPa压力下合金有大幅提升。研究了铁在Al-Zn-Mg-Cu合金中的存在形式及其对拉伸力学性能的影响。3种Fe含量合金铸态下富铁相均为Al3Fe,T4固溶处理后,富铁相通过扩散型相变转变为Al7Cu2Fe和Al6(Fe Cu)。随着Fe含量的增加,共晶相数量明显减少,富铁相数量增加、尺寸变大。Fe含量的增加损害材料的拉伸力学性能,尤其是延伸率。研究了挤压铸造Al-Zn-Mg-Cu合金的循环硬化行为。3种Fe含量合金在3组压力下均表现为相似的循环硬化行为。在0.3%、0.4%总应变幅下表现为循环稳定现象,当总应变幅增大到0.5%,合金表现为起始循环硬化至200周次左右达到饱和然后表现为循环稳定。在相同总应变幅下合金循环应力响应曲线的最大值随着压力增大而增大。分析了循环硬化行为的微观机理。在0.3%总应变幅下,合金表现为纯弹性疲劳特征,基本不存在宏观塑性变形,但部分晶粒会发生微小的塑性变形,出现位错增殖、相互缠结以及在第二相和晶界处塞积,这些交互作用比较微弱,故基本保持循环稳定现象直至循环断裂。在0.5%总应变幅下,循环起始周次存在塑性应变,随着循环周次的增加,位错不断增殖,位错与晶界以及位错之间的交互作用不断增强,引起循环硬化。当循环进行到一定程度,位错的增殖与湮灭相抵消,达到平衡状态,表现为后续的循环稳定。此外,循环加载过程中出现的应变时效现象也是导致合金循环硬化的一个重要原因。研究了压力和铁含量对Al-Zn-Mg-Cu合金疲劳寿命的影响。在相同Fe含量下,合金疲劳寿命随着压力增大而显著提高。0MPa压力下,当Fe含量由0.01%增加到0.55%,合金疲劳寿命变化不明显。75MPa压力下,在指定的所有总应变幅下0.33Fe合金的疲劳寿命均优于0.55Fe合金,当总应变幅低于0.5%时,0.33Fe合金的疲劳寿命明显优于0.01Fe合金,当总应变幅高于0.5%时,0.33Fe合金的疲劳寿命略低于0.01Fe合金。分析了相同铁含量不同压力Al-Zn-Mg-Cu合金疲劳断裂机制。0MPa压力合金疲劳裂纹主要萌生于缩松、缩孔等铸造缺陷且疲劳裂纹易于沿着这些铸造缺陷扩展。75MPa压力合金疲劳裂纹萌生于表面或靠近表面处的滑移带、粗大共晶相、粗大富铁相或者冶金夹杂,裂纹扩展区可见大量共晶相和粗大富铁相破碎现象。分析了相同压力不同铁含量Al-Zn-Mg-Cu合金疲劳断裂机制。0MPa压力下,疲劳裂纹扩展行为主要由缩松缩孔等铸造缺陷决定,Fe含量对其无明显影响。75MPa压力下,Fe含量对合金疲劳裂纹扩展行为影响显著。在较小总应变幅下,尺寸较小的富铁相阻碍疲劳裂纹扩展,对合金疲劳性能有利;但当总应变幅较大时,较大尺寸富铁相易于破碎成为疲劳裂纹源且疲劳裂纹易于沿着破碎的富铁相扩展。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21;TG249.2

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本文编号：1214679