活塞铝合金拉伸与高周疲劳性能研究
发布时间：2021-02-01 03:50
铸造Al-Si合金具有流动性好、热膨胀系数低、导热率高、比强度高、耐磨、耐腐蚀等优点,广泛用于制造结构复杂的发动机活塞。众所周知活塞在服役过程中经受高温燃气的循环载荷作用,这就要求活塞铝合金必须具备优异的高温强度。随着发动机功率不断提高,活塞的工作温度越来越高,研究表明柴油机活塞燃烧室边缘最高温度能达到420℃,因此提高活塞铝合金的高温力学性能是保证发动机长期稳定服役的关键因素。基于以上问题本文选取最常用的活塞铝合金体系Al-Si-Cu-Mg-Ni为研究对象,通过高温拉伸探索了温度、应变速率对拉伸性能的影响,通过高周疲劳实验研究了裂纹萌生与扩展机制随温度的演变规律,并基于以上实验结果建立温度与抗拉强度、热暴露参数与硬度、缺陷尺寸与疲劳强度的定量关系。本文旨在深入探讨活塞铝合金高温拉伸和高周疲劳损伤机制,找到影响高温静态和动态力学性能的关键因素,为活塞铝合金性能优化提供具有一定价值的参考依据。本文的主要研究结果如下:1.研究了温度对拉伸性能及其损伤机制的影响。发现低于350℃时断裂方式为准解理,超过350℃时准解理与韧窝共存。室温～250℃时,基体强度较高而韧性较差,断裂发生在加工硬化阶...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?Ａｌ－Ｓｉ二元相图
Ａ１基体细??化方法是熔炼时添加晶粒细化剂，如Ａｌ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ、Ａ１Ｐ等⑶。含有Ｃｕ、Ｍｇ??的铸造Ａｌ－Ｓｉ合金基体中往往含有纳米析出相，它们是在热处理过程中形成的，??尺寸为几到几百纳米不等。文献报道和理论计算表明铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中最常见的??析出相有?ｅ’（Ａｌ２Ｃｕ）、Ｑ（Ａｌ５Ｃｕ２Ｍｇ８Ｓｉ６）、ｐ（Ｍｇ２Ｓｉ）等｜Ｋ４］。如图?１．２?所示为?Ａ１?基体??中０’和Ｑ相形貌，它们能起到阻碍位错运动的作用，通过提高基体的强度来增??强合金整体的强度。??图１．２铸造Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金中的析出相＇??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ?ｉｎ?Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ?ａｌｌｏｙ１４１．??铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中第二相种类繁多，根据形貌、成分等可以将这些相划分为??两类，一类是Ｓｉ，另一类是金属间化合物。铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中的Ｓｉ主要有初生??Ｓｉ和共晶Ｓｉ两种。Ｓｉ是金刚石结构，密排面为｛１１１｝面，密排方向为＜１１０＞方向。??理论上当合金中Ｓｉ的含量超过共晶点（质量分数１２．６％）时才会形成初生Ｓｉ［５］，但??是在工业生产中由于添加其他合金元素和铸造工艺的影响，当Ｓｉ含量超过１０％??时就能形成初生Ｓｉ。铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中的初生Ｓｉ?—般呈块状，尺寸在１０?以??４??
?第１章绪论???簇聚集转变为互相独立分布。如图１．４所示为Ａｌ－６．５Ｓｉ－０．６Ｍｇ合金铸态和固溶态??的微观组织，图１．４（ａ）为铸态，图中Ａ为共晶Ｓｉ，Ｂ、Ｃ为金属间化合物，可以??看到这些都呈长条状。经过固溶后，共晶Ｓｉ转变为球状，而金属间化合物大部??分溶解，剩余的形状也比较圆滑，如图１．４（ｂ）所示。??铸造Ａｌ－Ｓｉ合金的时效温度一般在１５０￣２５０?°Ｃ之间［２Ｍ４］，如图１．５所示为??Ａｌ－７Ｓｉ－ｘＭｇ合金经过５３５?°Ｃ、４?ｈ固溶后，１７０?°Ｃ时效过程中的强度变化。在初??始阶段抗拉和屈服强度先快速上升达到最大值，然后随着时间延长缓慢下降。经??过时效处理后屈服强度和抗拉强度都提高了超过１００?ＭＰａ，可见热处理是十分有??效的强化途径。Ｍｅｄｒａｎｏ等发现Ａ３１９时效后屈服强度最高可提高８０?ＭＰａ，??Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金在１７０°Ｃ时效后屈服强度最多提高了?１６８ＭＰａ［２５］。热处理状态??对铸造铝合金的力学行为影响很大，采用较软的热处理如Ｔ４时，变形会比较均??匀，开裂第二相分布也比较均匀。而在Ｔ６态拉伸时，应变比较小时就会发生不??均匀变形，第二相开裂也比较集中［２６］。??４００?????４００????．．＇Ｔ－ｏＵｇ?－？■－０．３１４?Ｍｓ??＾??挪．?：：ｔ．°〇ｔｓＺ３??＊＊??■＊???—？＊??％?＊■?２?ｙ?备令???漠挪?＜?ｉｍｏ－?？??５?＞?／??２００?－?２００?．?｜??ｍ?－?１５０?２??１Ｄ０?ｔ?ｔ?ｌｏｏ????？?？?１???１???＜
【参考文献】：
期刊论文
[1]A novel heat-resistant Al–Si–Cu–Ni–Mg base material synergistically strengthened by Ni-rich intermetallics and nano-AlNp microskeletons[J]. Kaiqi Hu,Qingfei Xu,Xia Ma,Qianqian Sun,Tong Gao,Xiangfa Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2019(03)
[2]变质元素对铸造Al-Si合金共晶结晶的作用及机制[J]. 祖方遒. 铸造. 2011(11)
本文编号：3012152
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?Ａｌ－Ｓｉ二元相图
Ａ１基体细??化方法是熔炼时添加晶粒细化剂，如Ａｌ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ、Ａ１Ｐ等⑶。含有Ｃｕ、Ｍｇ??的铸造Ａｌ－Ｓｉ合金基体中往往含有纳米析出相，它们是在热处理过程中形成的，??尺寸为几到几百纳米不等。文献报道和理论计算表明铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中最常见的??析出相有?ｅ’（Ａｌ２Ｃｕ）、Ｑ（Ａｌ５Ｃｕ２Ｍｇ８Ｓｉ６）、ｐ（Ｍｇ２Ｓｉ）等｜Ｋ４］。如图?１．２?所示为?Ａ１?基体??中０’和Ｑ相形貌，它们能起到阻碍位错运动的作用，通过提高基体的强度来增??强合金整体的强度。??图１．２铸造Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金中的析出相＇??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ?ｉｎ?Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ?ａｌｌｏｙ１４１．??铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中第二相种类繁多，根据形貌、成分等可以将这些相划分为??两类，一类是Ｓｉ，另一类是金属间化合物。铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中的Ｓｉ主要有初生??Ｓｉ和共晶Ｓｉ两种。Ｓｉ是金刚石结构，密排面为｛１１１｝面，密排方向为＜１１０＞方向。??理论上当合金中Ｓｉ的含量超过共晶点（质量分数１２．６％）时才会形成初生Ｓｉ［５］，但??是在工业生产中由于添加其他合金元素和铸造工艺的影响，当Ｓｉ含量超过１０％??时就能形成初生Ｓｉ。铸造Ａｌ－Ｓｉ合金中的初生Ｓｉ?—般呈块状，尺寸在１０?以??４??
?第１章绪论???簇聚集转变为互相独立分布。如图１．４所示为Ａｌ－６．５Ｓｉ－０．６Ｍｇ合金铸态和固溶态??的微观组织，图１．４（ａ）为铸态，图中Ａ为共晶Ｓｉ，Ｂ、Ｃ为金属间化合物，可以??看到这些都呈长条状。经过固溶后，共晶Ｓｉ转变为球状，而金属间化合物大部??分溶解，剩余的形状也比较圆滑，如图１．４（ｂ）所示。??铸造Ａｌ－Ｓｉ合金的时效温度一般在１５０￣２５０?°Ｃ之间［２Ｍ４］，如图１．５所示为??Ａｌ－７Ｓｉ－ｘＭｇ合金经过５３５?°Ｃ、４?ｈ固溶后，１７０?°Ｃ时效过程中的强度变化。在初??始阶段抗拉和屈服强度先快速上升达到最大值，然后随着时间延长缓慢下降。经??过时效处理后屈服强度和抗拉强度都提高了超过１００?ＭＰａ，可见热处理是十分有??效的强化途径。Ｍｅｄｒａｎｏ等发现Ａ３１９时效后屈服强度最高可提高８０?ＭＰａ，??Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ合金在１７０°Ｃ时效后屈服强度最多提高了?１６８ＭＰａ［２５］。热处理状态??对铸造铝合金的力学行为影响很大，采用较软的热处理如Ｔ４时，变形会比较均??匀，开裂第二相分布也比较均匀。而在Ｔ６态拉伸时，应变比较小时就会发生不??均匀变形，第二相开裂也比较集中［２６］。??４００?????４００????．．＇Ｔ－ｏＵｇ?－？■－０．３１４?Ｍｓ??＾??挪．?：：ｔ．°〇ｔｓＺ３??＊＊??■＊???—？＊??％?＊■?２?ｙ?备令???漠挪?＜?ｉｍｏ－?？??５?＞?／??２００?－?２００?．?｜??ｍ?－?１５０?２??１Ｄ０?ｔ?ｔ?ｌｏｏ????？?？?１???１???＜
【参考文献】：
期刊论文
[1]A novel heat-resistant Al–Si–Cu–Ni–Mg base material synergistically strengthened by Ni-rich intermetallics and nano-AlNp microskeletons[J]. Kaiqi Hu,Qingfei Xu,Xia Ma,Qianqian Sun,Tong Gao,Xiangfa Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2019(03)
[2]变质元素对铸造Al-Si合金共晶结晶的作用及机制[J]. 祖方遒. 铸造. 2011(11)
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