【摘要】：在現(xiàn)代汽車工業(yè)當中汽車的輕量化設(shè)計已經(jīng)成為了提高汽車燃油經(jīng)濟性的重要手段。鑄鋁合金擁有較高的強重比和優(yōu)良的導(dǎo)熱以及抗腐蝕性能使其成為代替汽車發(fā)動機傳統(tǒng)鑄鐵部件的主要材料。汽車發(fā)動機的主要部件如缸蓋、連桿、活塞等在設(shè)計使用年限內(nèi)需要經(jīng)受超過108次交變載荷的作用,所以對材料在超高周次循環(huán)下疲勞行為的研究變得越來越重要。然而傳統(tǒng)的材料疲勞試驗受加載頻率的限制常常局限于107次交變載荷之內(nèi),因此傳統(tǒng)的材料疲勞試驗方法不能夠滿足現(xiàn)代汽車發(fā)動機部件對耐久性的設(shè)計要求。超聲疲勞試驗方法利用壓電效應(yīng)將20kHz電信號轉(zhuǎn)化為相同頻率的機械信號激勵試驗件達到共振狀態(tài)(20kHz),試驗頻率的增加極大的降低了疲勞試驗所需要的時間,便捷了人們對材料在超高周次循環(huán)下疲勞行為的研究。然而對比鑄鋁合金材料的超聲疲勞試驗壽命和常規(guī)疲勞試驗壽命發(fā)現(xiàn),鑄鋁合金材料的超聲疲勞試驗壽命往往高于其常規(guī)疲勞試驗壽命。目前很多學者將這種疲勞壽命的差異歸咎為試驗環(huán)境濕度的影響:由于超聲疲勞試驗的頻率遠高于常規(guī)疲勞試驗的頻率,因此超聲疲勞裂紋在擴展過程中的張開的時間遠小于常規(guī)疲勞裂紋在擴展過程中的張開時間,所以環(huán)境濕度對于超聲疲勞裂紋擴展速率的影響遠小于環(huán)境濕度對于常規(guī)疲勞裂紋擴展速率的影響,導(dǎo)致鑄鋁合金的超聲疲勞壽命高于其常規(guī)疲勞壽命。本文針對Al-Si系列鑄鋁合金,開展了不同環(huán)境濕度下的超聲疲勞壽命試驗、常規(guī)疲勞壽命試驗研究,不同環(huán)境濕度下的超聲疲勞裂紋擴展試驗以及鑄鋁合金超聲疲勞壽命對于環(huán)境濕度敏感性的控制因素研究。本文的主要工作和結(jié)論總結(jié)如下:(1)開展了環(huán)境濕度對于鑄鋁合金超聲疲勞壽命的影響研究。通過試驗發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度能夠顯著的降低鑄鋁合金AS7GU-T64和A356-T6的超聲疲勞壽命,同時在這兩種材料的超聲疲勞斷口中發(fā)現(xiàn)了大量的疲勞“平臺”。利用OM、SEM和EBSD等分析檢測手段對超聲疲勞和常規(guī)疲勞斷口特征進行了分析,首次系統(tǒng)性的闡述了鑄鋁合金疲勞斷口中疲勞“平臺”的形成機理。由于試驗件的鑄造缺陷含量非常低,在循環(huán)載荷的作用下初始裂紋通常會在試驗件表面通過駐留滑移帶(PSBs)的累積產(chǎn)生。初始萌生的裂紋擴展速率非常緩慢,當裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)晶�；泼娴姆较蚺c載荷方向成450(剪切應(yīng)力最大)時,晶�；泼鎯�(nèi)的塑性變形在循環(huán)載荷的作用下會迅速累積。當疲勞裂紋擴展至晶粒時,裂紋會沿著滑移面擴展從而穿過整個晶粒形成疲勞“平臺”。(2)搭建了基于Labview軟件的信號采集平臺,實現(xiàn)了超聲疲勞反饋信號的高精度采集和超聲非線性參數(shù)relβ的精確計算,同時提出了一種采用超聲非線性參數(shù)relβ監(jiān)測材料超聲疲勞裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命的方法。該方法通過超聲非線性參數(shù)relβ與超聲疲勞壽命的變化關(guān)系,當relβ的變化斜率大于某一臨界值時,超聲疲勞裂紋開始失穩(wěn)擴展。通過對比發(fā)現(xiàn)超聲非線性參數(shù)relβ對于疲勞損傷的敏感性遠高于固有頻率。最后通過試驗發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度不僅降低了鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴展壽命,而且減少了其超聲疲勞裂紋萌生壽命。(3)開展了環(huán)境濕度對于鑄鋁合金超聲疲勞裂紋擴展速率的影響研究。通過試驗發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度能夠加快鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴展速率,同時還發(fā)現(xiàn)峰值時效(T6)熱處理狀態(tài)的鑄鋁合金對于環(huán)境濕度的敏感性要小于過時效(T7)熱處理狀態(tài)的鑄鋁合金。因此對僅考慮過時效熱處理鑄鋁合金材料在濕度環(huán)境中裂紋擴展速率預(yù)測的Wei模型進行了修正,取水蒸氣壓力P與試驗頻率f比值的平方根,減小濕度的影響,首次得到了峰值時效熱處理后的鑄鋁合金裂紋擴展速率預(yù)測模型。通過50%濕度環(huán)境下鑄鋁合金A356-T6超聲疲勞裂紋擴展速率曲線預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果對比表明,本文改進發(fā)展后的模型比Wei建立的模型的預(yù)測結(jié)果更好,與試驗結(jié)果的吻合度更高。(4)研究了鑄鋁合金超聲疲勞壽命對于環(huán)境濕度敏感性的控制因素。通過分析七種鑄鋁合金疲勞數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)不同的鑄鋁合金的超聲疲勞壽命對于環(huán)境濕度的敏感性不一樣,其中峰值時效熱處理后的鑄鋁合金的超聲疲勞壽命受環(huán)境濕度的影響最大,而欠時效和過時效熱處理后的鑄鋁合金的超聲疲勞壽命受環(huán)境濕度影響最小。在Cu元素含量相同的情況下,材料的屈服強度是鑄鋁合金超聲疲勞壽命對于環(huán)境濕度敏感性的控制因素。
[Abstract]:In this paper , the influence of environmental humidity on the fatigue behavior of cast aluminum alloy is studied by using piezoelectric effect . The fatigue life of cast aluminum alloy is much less than that of conventional fatigue test . ( 4 ) The influence of ultrasonic fatigue life of cast aluminum alloy on environmental humidity sensitivity was studied . By analyzing the fatigue data of seven kinds of cast aluminum alloys , it was found that the ultrasonic fatigue life of different cast aluminum alloys was not the same as that of ambient humidity . The ultrasonic fatigue life of cast aluminum alloy after peak aging heat treatment was most affected by ambient humidity .
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21

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本文編號：2131864