電解加鈦ZL101A合金的疲勞可靠性研究.pdf

1、在交變載荷作用下,金屬零部件的疲勞斷裂是廣泛存在的一種失效形式,其突發(fā)性可能造成災(zāi)難性后果.但由于影響材料疲勞強度的隨機因素很多,分析交變載荷作用下金屬零部件的疲勞可靠性就成為工程設(shè)計中的一個關(guān)鍵課題,受到越來越多的重視,需要依據(jù)可靠性理論,運用概率統(tǒng)計的方法進行分析和計算. 鑄造鋁合金ZL101A中的合金元素鈦一般是采用熔配高鈦鋁合金添加的,而電解加鈦ZL101A合金則是用電解低鈦鋁基合金替代工業(yè)純鋁和高鈦鋁合金為原料制備的.

2、電解低鈦鋁基合金是鄭州大學(xué)材料物理實驗室與電解鋁廠合作研制的一種新型材料,即不改變傳統(tǒng)電解生產(chǎn)工藝條件,仍采用氧化鋁為原料,直接向電解槽中添加少量的二氧化鈦,經(jīng)電解得到的含鈦量低于0.3﹪的鋁鈦合金. ZL101A合金具有良好的鑄造性能、力學(xué)性能和加工性能,廣泛應(yīng)用于制造汽車和摩托車輪轂等領(lǐng)域.行駛中的車輛受到交變載荷的作用,要保證應(yīng)用電解加鈦ZL101A合金制造的零件安全可靠地正常工作,有必要系統(tǒng)全面地研究其疲勞可靠性.

3、 為研究加鈦和不同加鈦方式對ZL101A合金疲勞可靠性的影響,采用相同的熔煉、澆鑄、熱處理和機加工工藝,制備了不加鈦的ZL101合金、電解加鈦ZL101A合金(記作ZL101D)和熔配加鈦ZL101A合金(記作ZL101R)三組試樣,分別測試了其疲勞裂紋擴展速率和門檻值等各項性能指標(biāo). 基于同組試樣對該組合金力學(xué)性能的貢獻權(quán)重應(yīng)相等的觀點,提出一種新的成組試樣試驗數(shù)據(jù)處理方法.采用Monte Carlo方法模擬試驗數(shù)據(jù)點,用模

4、擬點代替試驗點進行最后的曲線擬合,得到該組合金在Paris區(qū)疲勞裂紋擴展速率曲線da/dN-ΔK的擬合參數(shù)和門檻值△K<,th>等材料性能指標(biāo). 疲勞斷裂過程一般可分為裂紋萌生,穩(wěn)定擴展和快速擴展失穩(wěn)斷裂三個階段.門檻值△K<,th>反映了第一階段材料抵抗裂紋萌生的能力,研究結(jié)果顯示:三組合金的門檻值沒有太大差別,即對加鈦和加鈦方式不敏感. ZL101A合金的主要疲勞壽命在第二階段,即亞臨界裂紋擴展階段,Paris區(qū)的擬

5、合參數(shù)反映了合金阻止裂紋擴展的能力,由此可間接計算其疲勞壽命.求出了三組合金在Paris區(qū)不同置信度的da/dN-△K曲線,進一步給出不同可靠度的P-da/aN-△K曲線. 在Paris區(qū)的裂紋擴展速率,電解加鈦ZL101D的最低,熔配加鈦ZL101R次之,而不加鈦的ZL101最高,原因是加鈦能細化α(Al)相,使硅顆粒平均直徑變小且圓形度提高,這是ZL101D和ZL101R合金抗疲勞裂紋擴展能力高于不加鈦的ZL101合金,而電

6、解加鈦ZL101D合金的抗疲勞裂紋擴展能力又稍高于熔配加鈦的ZL101R合金的主要原因. 建立了以疲勞裂紋擴展速率作為失效指標(biāo)的可靠度模型,給出了三組合金在一定失效指標(biāo)下,對應(yīng)于一定應(yīng)力強度因子范圍△K,疲勞裂紋穩(wěn)定擴展的可靠度即P-△K曲線.隨著應(yīng)力強度因子范圍△K的逐漸增大,三組合金的疲勞裂紋穩(wěn)定擴展的可靠度都表現(xiàn)為下降,但兩種加鈦合金下降的比較慢,這是因為加鈦細化了α(Al)相并改善了硅顆粒形貌,使合金抵抗疲勞裂紋擴展能力