環(huán)境濕度對于鑄鋁合金超聲疲勞行為的影響研究.pdf

1、在現(xiàn)代汽車工業(yè)當(dāng)中汽車的輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段。鑄鋁合金擁有較高的強(qiáng)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(jī)傳統(tǒng)鑄鐵部件的主要材料。汽車發(fā)動機(jī)的主要部件如缸蓋、連桿、活塞等在設(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)方法不能夠滿足現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)部

2、件對耐久性的設(shè)計(jì)要求。超聲疲勞試驗(yàn)方法利用壓電效應(yīng)將20kHz電信號轉(zhuǎn)化為相同頻率的機(jī)械信號激勵試驗(yàn)件達(dá)到共振狀態(tài)（20kHz），試驗(yàn)頻率的增加極大的降低了疲勞試驗(yàn)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(yàn)壽命和常規(guī)疲勞試驗(yàn)壽命發(fā)現(xiàn)，鑄鋁合金材料的超聲疲勞試驗(yàn)壽命往往高于其常規(guī)疲勞試驗(yàn)壽命。目前很多學(xué)者將這種疲勞壽命的差異歸咎為試驗(yàn)環(huán)境濕度的影響：由于超聲疲勞試驗(yàn)的頻率遠(yuǎn)高于常規(guī)疲勞

3、試驗(yàn)的頻率，因此超聲疲勞裂紋在擴(kuò)展過程中的張開的時間遠(yuǎn)小于常規(guī)疲勞裂紋在擴(kuò)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(kuò)展速率的影響遠(yuǎn)小于環(huán)境濕度對于常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)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(yàn)、常規(guī)疲勞壽命試驗(yàn)研究，不同環(huán)境濕度下的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)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)

4、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(yàn)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(jìn)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(jī)理。由于試驗(yàn)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(yàn)件表面

5、通過駐留滑移帶（PSBs）的累積產(chǎn)生。初始萌生的裂紋擴(kuò)展速率非常緩慢，當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)晶粒滑移面的方向與載荷方向成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(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至晶粒時，裂紋會沿著滑移面擴(kuò)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(shí)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)βrel的精確計(jì)算，同時提出了一種采用超聲非線性參數(shù)βr

6、el監(jiān)測材料超聲疲勞裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命的方法。該方法通過超聲非線性參數(shù)βrel與超聲疲勞壽命的變化關(guān)系，當(dāng)βrel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(kuò)展。通過對比發(fā)現(xiàn)超聲非線性參數(shù)βrel對于疲勞損傷的敏感性遠(yuǎn)高于固有頻率。最后通過試驗(yàn)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(kuò)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(kuò)展速率的影響研究。通過

7、試驗(yàn)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(kuò)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(kuò)展速率預(yù)測的Wei模型進(jìn)行了修正，取水蒸氣壓力P與試驗(yàn)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(kuò)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(kuò)展速

8、率曲線預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比表明，本文改進(jìn)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(yàn)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