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計中的一個關鍵課題,受到越來越多的重視,需要依據可靠性理論,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、力學性能和加工性能,廣泛應用于制造汽車和摩托車輪轂等領域.行駛中的車輛受到交變載荷的作用,要保證應用電解加鈦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. 基于同組試樣對該組合金力學性能的貢獻權重應相等的觀點,提出一種新的成組試樣試驗數據處理方法.采用Monte Carlo方法模擬試驗數據點,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的擬合參數和門檻值△K<,th>等材料性能指標. 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的可靠度模型,給出了三組合金在一定失效指標下,對應于一定應力強度因子范圍△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