铸造镁铝合金疲劳与失效行为的实验研究

作     者：吴必胜 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王习术

授予年度：2005年

学科分类：08[工学] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：SEM原位观测 疲劳寿命评价 有限元分析 疲劳小裂纹 疲劳断裂机理 

摘      要：随着航天航空及汽车工业轻量化、节能化和环保化的必然趋势,承载交变载荷的镁铝合金构件越来越多的使用,引起了人们对其疲劳性能的研究兴趣。本文主要研究铸造镁铝合金显微疲劳失效行为和断裂机理,考虑各种因素(如微观结构、加载方式、外部环境)对镁铝合金疲劳行为的影响,最后定量地评价了镁铝合金疲劳微小裂纹扩展速率和疲劳寿命。 本次研究利用带有高清晰度扫描电子显微镜(SEM)的液压伺服疲劳试验机,分别对铸造 AM50、AM60、AZ91 镁铝合金的光滑和带缺陷(小孔或缺口)试件进行了原位观测疲劳实验。通过拉伸实验及对镁铝合金微观组织的观察发现镁铝合金微观结构对其力学性能有很大的影响。尺寸于 5-50 μm 范围内时,α -Mg晶粒越小、分布越均匀,则合金强度越高;第二相组织( β -MgAl相)体积含量的增加以及网状的空间分布,同时提高了材料的强度和脆性。 通过在常、高温下对试件疲劳微小裂纹演化情况的原位观察试验,发现在常温下,由于 β -MgAl相结合强度较低且脆性较强,断裂以沿晶界面为主;在高温下,由于 β -MgAl界面变软, α -Mg晶粒与晶界的变形协调性基本一致,因此,断裂以穿晶为主。微观结构很大程度上影响了微小裂纹的萌生与初始扩展,而外加载荷则决定了微小裂纹的稳态扩展阶段。通过分析知道,随着应力的提高,一对斜孔试件,孔与孔对断裂微小裂纹扩展的路径的影响变大。从断口分析可以知道,镁铝合金的疲劳失效机理有解理断裂、空洞聚集以及混合机理三种方式。并且在高温下,镁铝合金断裂方式有从解理向准解理转变的趋势。本文还对小孔在循环载荷下对应力分布的影响进行了有限元模拟与分析。 本文中一个重要的工作就是通过在高温下对微小裂纹扩展的观察,然后基于微小裂纹扩展规律建立起了疲劳微小裂纹扩展速率及寿命预测公式。实验结果表明,在一定的温度下,微小裂纹扩展速率 dl /dN 是 σ和微小裂纹长度 l的函数,其中指数 n与温度成一定的线性关系。