【摘要】：鋁青銅具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用與航天航空、海洋、石油石化工業(yè)等工程機(jī)械中,是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,鋁青銅制件在重載、腐蝕介質(zhì)以及較高循環(huán)應(yīng)力等工況條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、起動(dòng)停機(jī)或工況突變時(shí)極易出現(xiàn)熱疲勞損傷。熱疲勞是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)損傷和組織蛻變過(guò)程,一般不發(fā)生明顯的塑性變形,所以很難檢測(cè)和預(yù)防,其潛在危險(xiǎn)性極大,一旦發(fā)生事故往往是災(zāi)難性的。如何提高鋁青銅合金的熱疲勞性能以適應(yīng)高科技領(lǐng)域應(yīng)用需求,這一問(wèn)題急需解決�；诖�,本文研究了固溶時(shí)效、深冷、激光沖擊及其復(fù)合處理對(duì)ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金微觀(guān)組織、力學(xué)性能以及在室溫至450℃下的熱疲勞行為。通過(guò)X射線(xiàn)衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描探針顯微鏡以及基本力學(xué)測(cè)試手段對(duì)合金的力學(xué)性能、顯微組織、表面形貌進(jìn)行觀(guān)察,分析變化規(guī)律和強(qiáng)化機(jī)理。通過(guò)LRS1200型熱疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同工藝強(qiáng)化后合金的熱疲勞性能,觀(guān)察熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展規(guī)律,分析抗熱疲勞性能的強(qiáng)化機(jī)理。經(jīng)研究得到以下結(jié)論:(1)(950±5)℃×1 h固溶處理+(350±5)℃×1 h時(shí)效處理+深冷2 h復(fù)合處理工藝能夠顯著改善ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金的力學(xué)性能和微觀(guān)組織。與T6處理相比,其抗拉強(qiáng)度、硬度以及伸長(zhǎng)率分別提高了7.28%、16.96%和23.53%;其α相進(jìn)一步細(xì)化且分布更加均勻,位錯(cuò)密度增加,使得合金整體的組織均勻性、致密性更好。綜合性能的提高也有效地提高了合金的熱疲勞性能,其抗熱應(yīng)力和氧化腐蝕的能力增強(qiáng)。與鑄態(tài)、T6態(tài)、深冷態(tài)合金相比,在相同冷熱循環(huán)次數(shù)下,疲勞裂紋長(zhǎng)度最短,裂紋生長(zhǎng)速率最慢。(2)光斑直徑3.0 mm,搭接率50%,能量4 J的激光沖擊能夠顯著提高ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金熱疲勞性能。與鑄態(tài)合金相比,激光沖擊后合金強(qiáng)化區(qū)表層粗糙度提高17.88%的同時(shí)產(chǎn)生-268.5 MPa殘余壓應(yīng)力,位錯(cuò)大量增殖、合金晶粒顯著細(xì)化,β相及富鐵κ相從α相中析出,硬度提高38.88%,在以上因素同時(shí)作用下合金抗高溫氧化能力增強(qiáng)、抗熱疲勞性能顯著提高。熱疲勞裂紋擴(kuò)展至激光沖擊強(qiáng)化區(qū)時(shí),裂紋尖端閉合不再向前擴(kuò)展。(3)深冷處理、激光沖擊及其復(fù)合處理后:1)合金組織致密度提高、孔洞等缺陷減少、晶粒尖角鈍化,裂紋萌生源減少,因此合金裂紋萌生抗力提高;2)強(qiáng)化相析出、產(chǎn)生高密度位錯(cuò)、晶粒細(xì)化,抗高溫氧化能力增強(qiáng),因此阻礙熱疲勞裂紋擴(kuò)展;3)殘余壓應(yīng)力抵消循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力,降低總熱應(yīng)力,提高ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金熱疲勞裂紋萌生抗力。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.21;TG665;TG156
【圖文】：

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.2 激光沖擊原理示意圖[37-39]Fig.1.1 Schematic representation of the laser peening激光沖擊強(qiáng)化對(duì)材料的抗疲勞性能具有卓越的提升效果，近年來(lái)一直是研究熱點(diǎn)，其于其他表面強(qiáng)化工藝相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[40-43]：（1）產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力。于普通機(jī)械加工相比，激光沖擊的沖擊波峰值達(dá)到數(shù) GPa，其在金屬表面產(chǎn)生的效果層深是機(jī)械噴丸數(shù)十倍，極大提升了金屬疲勞壽命。（2）耗能低，時(shí)間短。僅激光束的單脈沖能量就可高達(dá)幾十焦耳，并且 10%的光能可以在幾十秒內(nèi)轉(zhuǎn)化為沖擊波，形成激光束光斑面積大小的沖擊強(qiáng)化區(qū)。大約 30kW 的負(fù)荷可以完成激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程。（3）應(yīng)變率高。沖擊波在短短幾十納秒內(nèi)應(yīng)變率達(dá) 106s-1，比普通的機(jī)械沖壓的應(yīng)變率高 104倍

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文9圖1.3 疲勞裂紋擴(kuò)展的規(guī)律曲線(xiàn)[53-55]Fig.1.3 Regular curve of fatigue crack propagation圖 1.3 所示 A、B、C 不同擴(kuò)展區(qū)裂紋的擴(kuò)展特征不盡相同，其具體特征如表 1.1 所示。表1.1 不同擴(kuò)展區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展特征[53-55]Table.1.1 Characteristics of fatigue crack propagation in different propagation zones1.3.3 裂紋擴(kuò)展機(jī)制在冷熱循環(huán)過(guò)程中合金內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，材料表面如氧化腐蝕、孔洞等缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，為熱疲勞裂紋的萌生提供動(dòng)力。而熱疲勞裂紋萌生后向材料內(nèi)部擴(kuò)展過(guò)程中，其影響因素不僅僅是冷熱循環(huán)產(chǎn)生的交變應(yīng)力，材料本身組織也有重要影響。裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中主要有以下三種方式：（1）沿晶擴(kuò)展在冷熱循環(huán)過(guò)程中材料內(nèi)部產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力作用下，若材料的塑性較差，則在晶界處容易發(fā)生應(yīng)力集中，氧化物和第二相析出，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，材料難以發(fā)生塑性變形，因此晶界處易首先萌生熱疲勞裂紋并沿著晶界向前擴(kuò)展。而塑性較好的材料晶界處強(qiáng)度較高，當(dāng)交變熱應(yīng)力較低時(shí)不易在晶界處萌生裂紋；熱應(yīng)力為材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2733881