本文關(guān)鍵詞：Mg-Gd-Y-Zr鑄造鎂合金斷裂失效行為研究

  更多相關(guān)文章： 低壓砂型鑄造 Mg Gd Y Zr 沖擊韌性 高周疲勞性能 平面應(yīng)變斷裂韌度

【摘要】：Mg Gd Y Zr系合金是近年來新開發(fā)的一類高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金,在輕量化需求極大的航空航天工業(yè),擁有廣闊的應(yīng)用前景。對于大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件,在實際生產(chǎn)中常采用砂型鑄造的方式,這類鑄件熱處理后若采用水冷往往會變形嚴(yán)重,出現(xiàn)裂紋甚至發(fā)生斷裂。目前對于Mg Gd Y Zr系合金的研究主要利用重力金屬型鑄造,其固溶或時效熱處理后采用水冷的方式進(jìn)行,鮮有關(guān)于低壓砂型鑄造和采用空冷熱處理的報道。航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件可能承受各類型的載荷,如沖擊載荷、循環(huán)載荷等,基于結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性及安全性要求,開展針對基于固溶后空冷熱處理工藝的低壓砂型鑄造Mg Gd Y Zr系合金力學(xué)性能及斷裂失效行為的研究十分必要。本文以基于空冷熱處理的低壓砂型鑄造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr稀土鎂合金為主要研究對象,系統(tǒng)研究了在準(zhǔn)靜態(tài)、沖擊、交變等類型載荷下Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金的力學(xué)性能和裂紋萌生位置及擴(kuò)展路徑,并與基于水冷熱處理的重力金屬型鑄造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr稀土鎂合金進(jìn)行對比,同時考慮到生產(chǎn)中的合金成分波動,研究了Gd和Zr元素含量對合金拉伸及疲勞性能的影響,最后獲得了Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金的平面應(yīng)變斷裂韌度。拉伸試驗結(jié)果表明,低壓砂型鑄造和重力金屬型鑄造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金鑄態(tài)時的拉伸力學(xué)性能相近,砂型鑄造合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率分別為147MPa、215MPa和1.2%;金屬型鑄造合金則分別為150MPa、226MPa和1.5%。T6熱處理后,合金的性能顯著提高,砂型鑄造合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到240MPa、358MPa和3.5%;金屬型鑄造合金則分別達(dá)到237MPa、334MPa和1.9%。鑄態(tài)Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金在準(zhǔn)靜態(tài)的拉伸載荷下,其變形機(jī)制主要是位錯和孿生,表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂。T6熱處理后,變形機(jī)制主要為位錯滑移,砂型鑄造合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂,金屬型合金則表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂的混合模式。沖擊實驗結(jié)果表明,鑄態(tài)低壓砂型鑄造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr合金的沖擊韌性為16.3 J?cm-2,低于重力金屬型鑄造合金的18.1 J?cm-2。T6熱處理后,合金的沖擊韌性大幅提高,低壓砂型鑄造合金達(dá)到33.6 J?cm-2,重力金屬型鑄造合金則達(dá)到26.4 J?cm-2。在沖擊載荷下,鑄態(tài)Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金的斷口全部為放射區(qū),未出現(xiàn)纖維區(qū)和剪切唇區(qū),其變形機(jī)制主要為位錯和孿生,且孿生是非常重要的變形機(jī)制,合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂。T6態(tài)合金的斷口主要為放射區(qū),在試樣邊緣區(qū)可以觀察到很小的剪切唇區(qū),孿生是位錯以外的重要變形機(jī)制,低壓砂型鑄造合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂,重力金屬型合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂的混合模式。高周疲勞試驗表明,鑄態(tài)時,低壓砂型鑄造和重力金屬型鑄造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金的S-N曲線相似,疲勞強(qiáng)度均約為90MPa。T6熱處理后,合金的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命得到提高,砂型鑄造合金疲勞強(qiáng)度提高22.2%,達(dá)到110MPa左右,金屬型鑄造合金的疲勞強(qiáng)度提高11.1%,大約為100MPa。低壓砂型鑄造合金的疲勞裂紋主要萌生于試樣的自由表面,重力金屬型鑄造合金的疲勞裂紋則主要萌生于試樣表面附近的縮松或夾雜處。鑄態(tài)和T6態(tài)合金的疲勞裂紋萌生均與基體的滑移帶開裂有關(guān),疲勞裂紋均主要以穿晶擴(kuò)展為主。Gd和Zr元素含量均對Mg Gd Y Zr鎂合金疲勞性能有所影響:Gd含量不顯著影響合金的疲勞強(qiáng)度,但會影響合金在較高載荷下的疲勞壽命,高Gd含量的合金在較高載荷下的疲勞壽命相對較高;Zr含量顯著影響合金的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命,Zr含量高時,合金表現(xiàn)出高的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。平面應(yīng)變斷裂韌度試驗表明,低壓砂型Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金鑄件不同部位的斷裂韌性有所差異,兩個部位鑄態(tài)時的平面應(yīng)變斷裂韌度分別12.3 MPa?m1/2和12.1 MPa?m1/2,T6熱處理后,斷裂韌度分別提高41%和35%,達(dá)到17.3 MPa?m1/2和16.3 MPa?m1/2。重力金屬型鑄造Mg 10Gd 3Y 0.5Zr鎂合金的斷裂韌性與低壓砂型鑄件有一定差異,鑄態(tài)時平面應(yīng)變斷裂韌度為13.4 MPa?m1/2,高于低壓砂型鑄造;T6熱處理后提高17%,為15.7MPa?m1/2,低于T6態(tài)時的低壓砂型鑄造合金。
【關(guān)鍵詞】：低壓砂型鑄造 Mg Gd Y Zr 沖擊韌性 高周疲勞性能 平面應(yīng)變斷裂韌度
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.22
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-26
• 1.1 引言11
• 1.2 斷裂失效行為概述11-15
• 1.2.1 基本概念11-12
• 1.2.2 分類12-15
• 1.3 鑄造鎂合金的斷裂失效行為15-21
• 1.3.1 準(zhǔn)靜載荷下的斷裂行為16-17
• 1.3.2 沖擊載荷下的斷裂行為17
• 1.3.3 循環(huán)載荷下的疲勞行為17-19
• 1.3.4 鎂合金的斷裂韌度19-21
• 1.4 本課題研究內(nèi)容及意義21-23
• 參考文獻(xiàn)23-26
• 第二章 實驗方法26-36
• 2.1 合金制備26-29
• 2.1.1 合金成分26-27
• 2.1.2 熔煉與鑄造27-28
• 2.1.3 熱處理28-29
• 2.2 組織觀察與分析29-30
• 2.2.1 金相觀察29
• 2.2.2 XRD物相分析29
• 2.2.3 SEM分析29-30
• 2.3 力學(xué)性能測試30-35
• 2.3.1 硬度測試30
• 2.3.2 拉伸實驗30
• 2.3.3 沖擊實驗30
• 2.3.4 旋轉(zhuǎn)彎曲高周疲勞實驗30-32
• 2.3.5 平面應(yīng)變斷裂韌度測試32-35
• 參考文獻(xiàn)35-36
• 第三章 Mg Gd Y Zr合金準(zhǔn)靜態(tài)及沖擊載荷下的斷裂行為36-60
• 3.1 引言36
• 3.2 合金的顯微組織與硬度36-40
• 3.2.1 顯微組織36-40
• 3.2.2 維氏硬度40
• 3.3 合金的拉伸性能及沖擊韌性40-43
• 3.3.1 拉伸性能40-42
• 3.3.2 沖擊韌性42-43
• 3.4 合金在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的斷裂行為43-48
• 3.4.1 鑄態(tài)合金43-45
• 3.4.2 T6態(tài)合金45-48
• 3.5 合金在沖擊載荷下的斷裂行為48-54
• 3.5.1 鑄態(tài)合金49-51
• 3.5.2 T6態(tài)合金51-54
• 3.6 分析與討論54-57
• 3.6.1 熱處理對拉伸性能及沖擊韌性的影響55
• 3.6.2 應(yīng)變速率對合金變形及斷裂行為的影響55-57
• 3.7 本章小結(jié)57-59
• 參考文獻(xiàn)59-60
• 第四章 Mg Gd Y Zr鎂合金循環(huán)載荷下的力學(xué)行為60-89
• 4.1 引言60
• 4.2 鑄造工藝對高周疲勞性能的影響60-73
• 4.2.1 S-N曲線60-62
• 4.2.2 斷口分析62-73
• 4.3 合金成分對高周疲勞性能的影響73-76
• 4.3.1 S-N曲線73-75
• 4.3.2 斷口分析75-76
• 4.4 工程結(jié)構(gòu)件不同區(qū)域的高周疲勞性能76-82
• 4.4.1 拉伸性能77-79
• 4.4.2 高周疲勞性能79-82
• 4.5 分析與討論82-86
• 4.5.1 熱處理對高周疲勞性能的影響83-84
• 4.5.2 成分對高周疲勞性能的影響84-85
• 4.5.3 鑄造缺陷對高周疲勞性能的影響85-86
• 4.6 本章小結(jié)86-87
• 參考文獻(xiàn)87-89
• 第五章 Mg Gd Y Zr鎂合金的平面應(yīng)變斷裂韌度89-100
• 5.1 引言89-90
• 5.2 GW103K鎂合金的斷裂韌度90-96
• 5.2.1 預(yù)制裂紋的擴(kuò)展90-93
• 5.2.2 合金的KIC值93
• 5.2.3 斷口分析93-96
• 5.3 分析與討論96-98
• 5.4 本章小結(jié)98-99
• 參考文獻(xiàn)99-100
• 第六章 結(jié)論100-102
• 致謝102-103
• 攻讀碩士學(xué)位期間的成果103-105

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 何凱;鄒文兵;李寶輝;肖旅;孫敏杰;李中權(quán);;Gd對Mg-Gd-Y-Zr系鎂合金力學(xué)行為和阻尼性能的影響[J];航天制造技術(shù);2013年02期

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本文編號：830025