Mg-Gd-Y-Zr铸造镁合金断裂失效行为研究

发布时间：2017-09-11 09:48

  本文关键词：Mg-Gd-Y-Zr铸造镁合金断裂失效行为研究

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【摘要】：Mg Gd Y Zr系合金是近年来新开发的一类高强耐热稀土镁合金,在轻量化需求极大的航空航天工业,拥有广阔的应用前景。对于大型复杂薄壁结构件,在实际生产中常采用砂型铸造的方式,这类铸件热处理后若采用水冷往往会变形严重,出现裂纹甚至发生断裂。目前对于Mg Gd Y Zr系合金的研究主要利用重力金属型铸造,其固溶或时效热处理后采用水冷的方式进行,鲜有关于低压砂型铸造和采用空冷热处理的报道。航空航天领域结构件可能承受各类型的载荷,如冲击载荷、循环载荷等,基于结构设计的可靠性及安全性要求,开展针对基于固溶后空冷热处理工艺的低压砂型铸造Mg Gd Y Zr系合金力学性能及断裂失效行为的研究十分必要。本文以基于空冷热处理的低压砂型铸造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr稀土镁合金为主要研究对象,系统研究了在准静态、冲击、交变等类型载荷下Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金的力学性能和裂纹萌生位置及扩展路径,并与基于水冷热处理的重力金属型铸造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr稀土镁合金进行对比,同时考虑到生产中的合金成分波动,研究了Gd和Zr元素含量对合金拉伸及疲劳性能的影响,最后获得了Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金的平面应变断裂韧度。拉伸试验结果表明,低压砂型铸造和重力金属型铸造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金铸态时的拉伸力学性能相近,砂型铸造合金的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率分别为147MPa、215MPa和1.2%;金属型铸造合金则分别为150MPa、226MPa和1.5%。T6热处理后,合金的性能显著提高,砂型铸造合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到240MPa、358MPa和3.5%;金属型铸造合金则分别达到237MPa、334MPa和1.9%。铸态Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金在准静态的拉伸载荷下,其变形机制主要是位错和孪生,表现为准解理断裂。T6热处理后,变形机制主要为位错滑移,砂型铸造合金表现为准解理断裂,金属型合金则表现为准解理断裂和沿晶断裂的混合模式。冲击实验结果表明,铸态低压砂型铸造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr合金的冲击韧性为16.3 J?cm-2,低于重力金属型铸造合金的18.1 J?cm-2。T6热处理后,合金的冲击韧性大幅提高,低压砂型铸造合金达到33.6 J?cm-2,重力金属型铸造合金则达到26.4 J?cm-2。在冲击载荷下,铸态Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金的断口全部为放射区,未出现纤维区和剪切唇区,其变形机制主要为位错和孪生,且孪生是非常重要的变形机制,合金表现为准解理断裂。T6态合金的断口主要为放射区,在试样边缘区可以观察到很小的剪切唇区,孪生是位错以外的重要变形机制,低压砂型铸造合金表现为准解理断裂,重力金属型合金表现为准解理断裂和沿晶断裂的混合模式。高周疲劳试验表明,铸态时,低压砂型铸造和重力金属型铸造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金的S-N曲线相似,疲劳强度均约为90MPa。T6热处理后,合金的疲劳强度及疲劳寿命得到提高,砂型铸造合金疲劳强度提高22.2%,达到110MPa左右,金属型铸造合金的疲劳强度提高11.1%,大约为100MPa。低压砂型铸造合金的疲劳裂纹主要萌生于试样的自由表面,重力金属型铸造合金的疲劳裂纹则主要萌生于试样表面附近的缩松或夹杂处。铸态和T6态合金的疲劳裂纹萌生均与基体的滑移带开裂有关,疲劳裂纹均主要以穿晶扩展为主。Gd和Zr元素含量均对Mg Gd Y Zr镁合金疲劳性能有所影响:Gd含量不显著影响合金的疲劳强度,但会影响合金在较高载荷下的疲劳寿命,高Gd含量的合金在较高载荷下的疲劳寿命相对较高;Zr含量显著影响合金的疲劳强度和疲劳寿命,Zr含量高时,合金表现出高的疲劳强度和疲劳寿命。平面应变断裂韧度试验表明,低压砂型Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金铸件不同部位的断裂韧性有所差异,两个部位铸态时的平面应变断裂韧度分别12.3 MPa?m1/2和12.1 MPa?m1/2,T6热处理后,断裂韧度分别提高41%和35%,达到17.3 MPa?m1/2和16.3 MPa?m1/2。重力金属型铸造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr镁合金的断裂韧性与低压砂型铸件有一定差异,铸态时平面应变断裂韧度为13.4 MPa?m1/2,高于低压砂型铸造;T6热处理后提高17%,为15.7MPa?m1/2,低于T6态时的低压砂型铸造合金。
【关键词】：低压砂型铸造 Mg Gd Y Zr 冲击韧性 高周疲劳性能 平面应变断裂韧度
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 引言11
• 1.2 断裂失效行为概述11-15
• 1.2.1 基本概念11-12
• 1.2.2 分类12-15
• 1.3 铸造镁合金的断裂失效行为15-21
• 1.3.1 准静载荷下的断裂行为16-17
• 1.3.2 冲击载荷下的断裂行为17
• 1.3.3 循环载荷下的疲劳行为17-19
• 1.3.4 镁合金的断裂韧度19-21
• 1.4 本课题研究内容及意义21-23
• 参考文献23-26
• 第二章 实验方法26-36
• 2.1 合金制备26-29
• 2.1.1 合金成分26-27
• 2.1.2 熔炼与铸造27-28
• 2.1.3 热处理28-29
• 2.2 组织观察与分析29-30
• 2.2.1 金相观察29
• 2.2.2 XRD物相分析29
• 2.2.3 SEM分析29-30
• 2.3 力学性能测试30-35
• 2.3.1 硬度测试30
• 2.3.2 拉伸实验30
• 2.3.3 冲击实验30
• 2.3.4 旋转弯曲高周疲劳实验30-32
• 2.3.5 平面应变断裂韧度测试32-35
• 参考文献35-36
• 第三章 Mg Gd Y Zr合金准静态及冲击载荷下的断裂行为36-60
• 3.1 引言36
• 3.2 合金的显微组织与硬度36-40
• 3.2.1 显微组织36-40
• 3.2.2 维氏硬度40
• 3.3 合金的拉伸性能及冲击韧性40-43
• 3.3.1 拉伸性能40-42
• 3.3.2 冲击韧性42-43
• 3.4 合金在准静态载荷下的断裂行为43-48
• 3.4.1 铸态合金43-45
• 3.4.2 T6态合金45-48
• 3.5 合金在冲击载荷下的断裂行为48-54
• 3.5.1 铸态合金49-51
• 3.5.2 T6态合金51-54
• 3.6 分析与讨论54-57
• 3.6.1 热处理对拉伸性能及冲击韧性的影响55
• 3.6.2 应变速率对合金变形及断裂行为的影响55-57
• 3.7 本章小结57-59
• 参考文献59-60
• 第四章 Mg Gd Y Zr镁合金循环载荷下的力学行为60-89
• 4.1 引言60
• 4.2 铸造工艺对高周疲劳性能的影响60-73
• 4.2.1 S-N曲线60-62
• 4.2.2 断口分析62-73
• 4.3 合金成分对高周疲劳性能的影响73-76
• 4.3.1 S-N曲线73-75
• 4.3.2 断口分析75-76
• 4.4 工程结构件不同区域的高周疲劳性能76-82
• 4.4.1 拉伸性能77-79
• 4.4.2 高周疲劳性能79-82
• 4.5 分析与讨论82-86
• 4.5.1 热处理对高周疲劳性能的影响83-84
• 4.5.2 成分对高周疲劳性能的影响84-85
• 4.5.3 铸造缺陷对高周疲劳性能的影响85-86
• 4.6 本章小结86-87
• 参考文献87-89
• 第五章 Mg Gd Y Zr镁合金的平面应变断裂韧度89-100
• 5.1 引言89-90
• 5.2 GW103K镁合金的断裂韧度90-96
• 5.2.1 预制裂纹的扩展90-93
• 5.2.2 合金的KIC值93
• 5.2.3 断口分析93-96
• 5.3 分析与讨论96-98
• 5.4 本章小结98-99
• 参考文献99-100
• 第六章 结论100-102
• 致谢102-103
• 攻读硕士学位期间的成果103-105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 何凯;邹文兵;李宝辉;肖旅;孙敏杰;李中权;;Gd对Mg-Gd-Y-Zr系镁合金力学行为和阻尼性能的影响[J];航天制造技术;2013年02期

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本文编号：830025