Cu-Cr-Zr合金低周疲劳行为研究
发布时间：2021-07-27 15:57
电气化道路朝着重载、高速的方向快速发展,对接触线材料的各项性能提出了更高的要求,而高性能的Cu-Cr-Zr合金作为新一代接触线材料在高速铁路网络中的应用越发广泛。但基于高铁接触线反复循环加载、大张力架设等实际服役环境,却鲜有学者结合Cu-Cr-Zr合金的具体制备过程,对其不同状态合金的低周疲劳行为进行过深入研究。针对上述问题,本论文以热挤压态Cu-Cr-Zr合金为研究对象,从冷变形及热处理两个维度出发,系统研究了二者对所选材料室温下的拉伸性能、低周疲劳性能的影响,并结合多项先进检测手段,主要做了以下几方面的研究:一、探讨了合金在形变及热处理过程中的组织、性能（包括拉伸性能及低周疲劳性能）的演变规律;二、分析并明确冷变形和固溶—时效处理对低周疲劳寿命的影响,揭示疲劳寿命与各影响因素间的关系;三、对比评价不同状态合金的低周疲劳行为,结合其不同外加总应变幅下的疲劳断口和循环变形组织,构建了“加工工艺—微观结构—低周疲劳性能”间的关联模型。随着对热挤压态Cu-Cr-Zr合金施加冷变形量的增加,其拉伸强度不断升高,但是低周疲劳寿命却并非一定呈现逐渐增加的趋势,更大程度的冷变形可以显著提高合金的过...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同应变幅下的循环应力响应曲线
第一章绪论9工艺将线性梯度的晶粒尺寸引入TWIP钢（得到GS样品）。FG样品相比于传统CG样品，晶粒大小更加细小均匀，而GS样品是一种有着线性梯度晶粒的新型TWIP钢，从材料心部至材料表面，晶粒尺寸不断减小，而均匀性不断增加。与原始粗晶CG样品和细晶FG样品相比，GS样品表现出更强的循环硬化能力，更高的疲劳寿命以及循环饱和应力，其结果如图1.2所示。图1.2CG，FG和GS样品的LCF性能(a)总应变幅与疲劳寿命之间的关系；(b)饱和应力幅与疲劳寿命之间的关系Fig.1.2LCFpropertiesofCG,FGandGS.(a)Relationshipbetweentotalstrainamplitudeandfatiguelife;(b)dependenceoffatiguelifeonsaturationstressamplitude.事实上，除了晶粒尺寸可以影响材料的裂纹扩展路径外，晶界类型对疲劳性能的影响亦不可被忽视。例如，在加载过程中锯齿状晶界不会始终与受力方向垂直，二者所成角度是处于不断变化的趋向，因而该类型晶界可以避免过度的应力集中，降低了材料沿晶断裂的倾向[64]。Wang[65]研究发现多晶体材料三叉晶界对材料性能影响较大，尤其是当晶粒尺寸被细化至纳米级时，基础滑移线在低应变幅变形下会在三叉晶界附近被阻断，而当应变幅较高时，滑移线则沿着交界处的晶界两端均匀分布，这个阶段三叉晶界节点极易发生疲劳裂纹形核并且长大。因此，理论上可以通过调控晶界类型来达到提高多晶体材料疲劳性能的目的。目前经过多年发展，在这一方向比较卓有成效的理论是“晶界工程”，该理论最早由日本知名学者Watanabe[66,67]于1984年提出，主要思路是：通过选择适当的形变及后续的热处理工艺，增加多晶体材料中特殊晶界的数量，进而提高强韧性，改善材料的抗腐蚀能力、耐疲劳能力等。国内做的比较深入的学者是中科院金属所的卢柯院士，目前已经?
第一章绪论11图1.3不同织构组分的疲劳裂纹扩展的示意图(a)高强度Goss织构；(b)低强度Goss织构+低强度Cube织构Fig.1.3Schematicdiagramoffatiguecrackpropagationofdifferenttexturecomponents(a)High-intensityGosstexture;(b)Low-intensityGosstexture+low-strengthCubetexture1.5细晶材料低周疲劳的研究现状过去几十年里，由于细晶（FG）乃至超细晶（UFG）材料在室温下具有超高强度，并且在较高温度下具有“高”应变率或“低温”超塑性的潜力[84,85]，而受到了广泛关注。但是直到九十年代后期，学者才对其循环变形和疲劳行为进行了些许深入研究。最近，学者针对循环变形和疲劳性能的研究显著增加，这对于UFG材料的实际应用至关重要，其研究主要集中在循环变形行为、疲劳失效以及潜在的微观结构演变机理上[86-91]，亦或影响疲劳裂纹扩展的因素[92,93]。其中的代表人物包括Vinogradov[22,51,88]、Agnew[21,23]和Weertman[21]、Mughrabi[57,86,87]以及Hppel[24,89-91]。Hppel[24]此前通过ECAP手段开发了一种新型UFGAl-Mg合金，与传统的再结晶CG状态相比，其疲劳性能显著提高，并且循环稳定性与Mg含量成正比。然而，Hppel[94]的另一项研究表明，单纯的细化晶粒并不一定能改善材料的LCF性能，因为材料的延展性在晶粒细化的同时也会逐渐降低。因此，经过ECAP手段得到的材料后续需要进行适当的退火工艺处理，以改善材料的延展性和LCF性能。经过SPD处理后的晶粒/亚晶粒边界通常被视为相对较高能量的非平衡态边界[95]，而且UFG材料的超高强度不仅与较低的晶粒尺寸有关，更普遍地归因于极高的缺陷（位错）密度，从而保证了有较强的驱动力通过位错湮灭的方式来降低系统总能量，以及将非平衡边界转换为更接近平衡的结构并减小其总
【参考文献】：
期刊论文
[1]应力控制下7075-T651铝合金的疲劳断裂行为[J]. 陈涛,赵路远,李慧,黄俊,吴玉程. 机械工程材料. 2017(07)
[2]高强度织构对2524铝合金疲劳性能的影响[J]. 鲁璐青,刘志义,夏鹏. 粉末冶金材料科学与工程. 2017(03)
[3]织构对含铒铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响[J]. 雷欣,聂祚仁,黄晖,文胜平. 机械工程材料. 2015(06)
[4]非真空熔铸铜铬锆合金中的烧损和缺陷研究[J]. 翁远辉,陈钢,吴渊,李立鸿,罗宗强,张卫文. 铸造技术. 2013(08)
[5]新型热轧纳米析出强化超高强汽车板的疲劳性能研究[J]. 王晓南,杜林秀,邸洪双. 机械工程学报. 2012(22)
[6]Cu-Cr-Zr系合金非真空熔铸工艺研究[J]. 邹彬,周文龙,胡建军,陈国清,孙中刚,马红军. 特种铸造及有色合金. 2011(04)
[7]Ti-2Al-2.5Zr合金的高温低周疲劳行为[J]. 王航,徐燕灵,孙巧艳,肖林,孙军,葛鹏. 材料研究学报. 2010(02)
[8]金属包申格效应的表征、影响因素与机理研究进展[J]. 张功庭,盛光敏,黄利. 材料导报. 2008(S3)
[9]时效析出对2E12铝合金疲劳断裂行为的影响[J]. 李海,郑子樵,魏修宇,王芝秀. 中国有色金属学报. 2008(04)
[10]挤压态镁合金ZK60的超高周疲劳行为[J]. 许道奎,刘路,徐永波,韩恩厚. 金属学报. 2007(02)
博士论文
[1]Cu-Cr-Zr系合金微观组织演变规律及合金元素交互作用机理的研究[D]. 彭丽军.北京有色金属研究总院 2014
[2]载流摩擦磨损试验机的研制及滑板材料摩擦磨损和载流性能研究[D]. 李鹏.机械科学研究总院 2007
[3]材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究[D]. 王泓.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]长期时效对GH4169合金组织演化及低周疲劳行为的影响[D]. 安金岚.东北大学 2014
[2]超细晶Cu-Cr-Zr合金的制备与高温变形研究[D]. 刘锋.西安建筑科技大学 2014
[3]高强高导Cu-Cr-Zr-RE合金成分组织性能研究[D]. 曹钧力.合肥工业大学 2012
[4]铜合金接触线低周疲劳性能研究[D]. 李克欣.大连交通大学 2011
[5]铝合金时效成形微观组织和性能及疲劳断裂特征[D]. 孙志强.大连理工大学 2009
[6]低溶质Cu-Cr-Zr合金的微结构与性能[D]. 齐卫笑.浙江大学 2002
本文编号：3306092
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同应变幅下的循环应力响应曲线
第一章绪论9工艺将线性梯度的晶粒尺寸引入TWIP钢（得到GS样品）。FG样品相比于传统CG样品，晶粒大小更加细小均匀，而GS样品是一种有着线性梯度晶粒的新型TWIP钢，从材料心部至材料表面，晶粒尺寸不断减小，而均匀性不断增加。与原始粗晶CG样品和细晶FG样品相比，GS样品表现出更强的循环硬化能力，更高的疲劳寿命以及循环饱和应力，其结果如图1.2所示。图1.2CG，FG和GS样品的LCF性能(a)总应变幅与疲劳寿命之间的关系；(b)饱和应力幅与疲劳寿命之间的关系Fig.1.2LCFpropertiesofCG,FGandGS.(a)Relationshipbetweentotalstrainamplitudeandfatiguelife;(b)dependenceoffatiguelifeonsaturationstressamplitude.事实上，除了晶粒尺寸可以影响材料的裂纹扩展路径外，晶界类型对疲劳性能的影响亦不可被忽视。例如，在加载过程中锯齿状晶界不会始终与受力方向垂直，二者所成角度是处于不断变化的趋向，因而该类型晶界可以避免过度的应力集中，降低了材料沿晶断裂的倾向[64]。Wang[65]研究发现多晶体材料三叉晶界对材料性能影响较大，尤其是当晶粒尺寸被细化至纳米级时，基础滑移线在低应变幅变形下会在三叉晶界附近被阻断，而当应变幅较高时，滑移线则沿着交界处的晶界两端均匀分布，这个阶段三叉晶界节点极易发生疲劳裂纹形核并且长大。因此，理论上可以通过调控晶界类型来达到提高多晶体材料疲劳性能的目的。目前经过多年发展，在这一方向比较卓有成效的理论是“晶界工程”，该理论最早由日本知名学者Watanabe[66,67]于1984年提出，主要思路是：通过选择适当的形变及后续的热处理工艺，增加多晶体材料中特殊晶界的数量，进而提高强韧性，改善材料的抗腐蚀能力、耐疲劳能力等。国内做的比较深入的学者是中科院金属所的卢柯院士，目前已经?
第一章绪论11图1.3不同织构组分的疲劳裂纹扩展的示意图(a)高强度Goss织构；(b)低强度Goss织构+低强度Cube织构Fig.1.3Schematicdiagramoffatiguecrackpropagationofdifferenttexturecomponents(a)High-intensityGosstexture;(b)Low-intensityGosstexture+low-strengthCubetexture1.5细晶材料低周疲劳的研究现状过去几十年里，由于细晶（FG）乃至超细晶（UFG）材料在室温下具有超高强度，并且在较高温度下具有“高”应变率或“低温”超塑性的潜力[84,85]，而受到了广泛关注。但是直到九十年代后期，学者才对其循环变形和疲劳行为进行了些许深入研究。最近，学者针对循环变形和疲劳性能的研究显著增加，这对于UFG材料的实际应用至关重要，其研究主要集中在循环变形行为、疲劳失效以及潜在的微观结构演变机理上[86-91]，亦或影响疲劳裂纹扩展的因素[92,93]。其中的代表人物包括Vinogradov[22,51,88]、Agnew[21,23]和Weertman[21]、Mughrabi[57,86,87]以及Hppel[24,89-91]。Hppel[24]此前通过ECAP手段开发了一种新型UFGAl-Mg合金，与传统的再结晶CG状态相比，其疲劳性能显著提高，并且循环稳定性与Mg含量成正比。然而，Hppel[94]的另一项研究表明，单纯的细化晶粒并不一定能改善材料的LCF性能，因为材料的延展性在晶粒细化的同时也会逐渐降低。因此，经过ECAP手段得到的材料后续需要进行适当的退火工艺处理，以改善材料的延展性和LCF性能。经过SPD处理后的晶粒/亚晶粒边界通常被视为相对较高能量的非平衡态边界[95]，而且UFG材料的超高强度不仅与较低的晶粒尺寸有关，更普遍地归因于极高的缺陷（位错）密度，从而保证了有较强的驱动力通过位错湮灭的方式来降低系统总能量，以及将非平衡边界转换为更接近平衡的结构并减小其总
【参考文献】：
期刊论文
[1]应力控制下7075-T651铝合金的疲劳断裂行为[J]. 陈涛,赵路远,李慧,黄俊,吴玉程. 机械工程材料. 2017(07)
[2]高强度织构对2524铝合金疲劳性能的影响[J]. 鲁璐青,刘志义,夏鹏. 粉末冶金材料科学与工程. 2017(03)
[3]织构对含铒铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响[J]. 雷欣,聂祚仁,黄晖,文胜平. 机械工程材料. 2015(06)
[4]非真空熔铸铜铬锆合金中的烧损和缺陷研究[J]. 翁远辉,陈钢,吴渊,李立鸿,罗宗强,张卫文. 铸造技术. 2013(08)
[5]新型热轧纳米析出强化超高强汽车板的疲劳性能研究[J]. 王晓南,杜林秀,邸洪双. 机械工程学报. 2012(22)
[6]Cu-Cr-Zr系合金非真空熔铸工艺研究[J]. 邹彬,周文龙,胡建军,陈国清,孙中刚,马红军. 特种铸造及有色合金. 2011(04)
[7]Ti-2Al-2.5Zr合金的高温低周疲劳行为[J]. 王航,徐燕灵,孙巧艳,肖林,孙军,葛鹏. 材料研究学报. 2010(02)
[8]金属包申格效应的表征、影响因素与机理研究进展[J]. 张功庭,盛光敏,黄利. 材料导报. 2008(S3)
[9]时效析出对2E12铝合金疲劳断裂行为的影响[J]. 李海,郑子樵,魏修宇,王芝秀. 中国有色金属学报. 2008(04)
[10]挤压态镁合金ZK60的超高周疲劳行为[J]. 许道奎,刘路,徐永波,韩恩厚. 金属学报. 2007(02)
博士论文
[1]Cu-Cr-Zr系合金微观组织演变规律及合金元素交互作用机理的研究[D]. 彭丽军.北京有色金属研究总院 2014
[2]载流摩擦磨损试验机的研制及滑板材料摩擦磨损和载流性能研究[D]. 李鹏.机械科学研究总院 2007
[3]材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究[D]. 王泓.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]长期时效对GH4169合金组织演化及低周疲劳行为的影响[D]. 安金岚.东北大学 2014
[2]超细晶Cu-Cr-Zr合金的制备与高温变形研究[D]. 刘锋.西安建筑科技大学 2014
[3]高强高导Cu-Cr-Zr-RE合金成分组织性能研究[D]. 曹钧力.合肥工业大学 2012
[4]铜合金接触线低周疲劳性能研究[D]. 李克欣.大连交通大学 2011
[5]铝合金时效成形微观组织和性能及疲劳断裂特征[D]. 孙志强.大连理工大学 2009
[6]低溶质Cu-Cr-Zr合金的微结构与性能[D]. 齐卫笑.浙江大学 2002
本文编号：3306092
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