Cu、Mg含量對ZL702A合金拉壓疲勞行為的影響開題報告

1、開題報告題目：Cu、Mg含量對ZL702A合金拉壓疲勞行為的影響1 .畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）L1題目背景鑄造鋁合金為傳統(tǒng)的金屬材料，由于其密度小、強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕、易成形 和表面處理等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械等各行業(yè)皿：。隨著飛機(jī)向 大型、高速、多載方向發(fā)展，飛行壽命和飛行安全及可靠性要求航空結(jié)構(gòu)材料除需滿足 強(qiáng)度高和重量輕外，還需要有高的韌性、抗腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性和損傷容限。因而在飛機(jī)上 被廣泛使用，占飛機(jī)重量的60%到80%左右:由于產(chǎn)品設(shè)計越來越考慮到輕量化,鋁合金鑄件的產(chǎn)量在不斷增長，目前在各種承 力構(gòu)件的發(fā)展方面，為了提高其輕

2、量化和抗壓性能，用具有更高抗壓性能的鑄造鋁合金 代替原有的鑄造鋁硅合金各種承力構(gòu)件等關(guān)鍵鑄件是發(fā)展的必然趨勢。而且，在現(xiàn)代汽 車和航空工業(yè)領(lǐng)域，多種承力構(gòu)件所用的鑄造鋁合金的性能已經(jīng)不能滿足其需求，主要 表現(xiàn)在高溫強(qiáng)度低、韌性低:斗九因此，開發(fā)一種綜合性能（包括強(qiáng)度、韌性、耐熱性等） 更好的抗壓鑄造鋁合金，以滿足汽車、航空工業(yè)等眾多領(lǐng)域?qū)Σ牧系母咭笫鞘直?要的。L2研究意義上世紀(jì)90年代以來,西方發(fā)達(dá)國家開始大力發(fā)展第二代超音速客機(jī),與此同時,具有 突出的隱身性能、超音速巡航能力、超常規(guī)機(jī)動性和敏捷性等特點的第四代戰(zhàn)斗機(jī)也相 繼進(jìn)入緊鑼密鼓地研制階段。對于這類高超音速飛機(jī)而言,它們的高巡

3、航速度將使機(jī)身 蒙皮的長期工作溫度提高到150-350之間。目前利用傳統(tǒng)鑄錠冶金法生產(chǎn)并獲得廣 泛應(yīng)用的2x24和2618等耐熱招合金的長期使用溫度均在150以下，不能滿足超音速飛 機(jī)對材料的耐熱性能要求；鈦合金和碳纖維等復(fù)合材料雖然可以在較高溫度下長期服 役,但是它們生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，成本過高,不能很好地滿足經(jīng)濟(jì)可承受性要求。Al-Si系合金不僅強(qiáng)度高、成型性能優(yōu)良而且其耐熱性能好,廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu) 材料。但是,該系合金的長期工作溫度在150c左右，尚難以滿足超音速飛機(jī)對材料的耐 熱性能要求。因此,充分挖掘Al-Si系合金的潛能,進(jìn)一步提高該系合金的工作溫度迫在 眉睫。研究表明，在Al-S

4、i系合金中添加適量的Cu或者M(jìn)g,能促使合金析出。相。在 250° C時仍具有較強(qiáng)的抗粗化長大能力。Al-Si-Cu-Mg合金中。相的析出，將有利于合 金室溫和高溫性能的提高。8 L3國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，某點或某些點逐漸產(chǎn)生了永久的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo) 致在一定的循環(huán)數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂，造成疲勞破壞。疲勞破壞是機(jī)械結(jié)構(gòu)最常 見的失效形式之一，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和工程事故，據(jù)統(tǒng)計19世紀(jì)30-40年代，英 國鐵路車輛輪軸在軸肩處（應(yīng)力僅為0.4 a ）多次發(fā)生破壞，1954年1月，英國慧星 （Comet）號噴氣客機(jī)墜入地中海（機(jī)身艙門拐角處開裂），二次大戰(zhàn)期

5、間，400余艘全焊 接艦船斷裂，1967年12月15 B,美國西弗吉尼亞的Point Pleasant橋倒塌，46人死亡 和嚴(yán)重的緊急損失。l,4J6'19世紀(jì)50年代至60年代，德國人August Wohler作了很多循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞 試驗，提出了 S-N曲線和疲勞極限的概念。20世紀(jì)初人們用光學(xué)顯微鏡研究了疲勞機(jī) 理，發(fā)現(xiàn)在金屬的局部地方出現(xiàn)了導(dǎo)致微觀裂紋形成的滑移線和滑移帶，Gough提出了 彎曲和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用(多軸疲勞)。1945年Miner提出了 Palmgen于1924年提出的線 性累計疲勞損傷判據(jù)：Miner-Palmgen定律。70年代以來，由于汽車工業(yè)和航空工業(yè)

6、的 大發(fā)展，以及與此同時發(fā)生的各種疲勞事故，使得疲勞研究乂進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展時 期，建立起許多大型實驗室，并在這些大實驗室進(jìn)行了大量的成本昂貴的疲勞試驗。物 理學(xué)家和冶金學(xué)家使用了電子顯微鏡等現(xiàn)代分析測試手段，借助位錯理論，力圖從微觀 方面解釋疲勞的基本現(xiàn)象，研究疲勞失效的機(jī)制：工程技術(shù)人員借助高速計算機(jī)和斷裂 力學(xué)的發(fā)展，從宏觀方面采用簡單的試驗數(shù)據(jù)和半經(jīng)驗的設(shè)計理論去設(shè)計零件和系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外對疲勞的研究極為重視，主要的研究方向是金屬疲勞的一般規(guī)律、疲 勞破壞過程及機(jī)理、疲勞力學(xué)性能及其影響因素、疲勞短裂紋、變幅疲勞等，并取得了 很大的進(jìn)展。2 .本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案

7、、研究方法或措施2. 1研究的主要內(nèi)容(1)用單點法測定Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金砂型試樣在107時的疲勞極限。 (2)改變Cu、Mg的含量對疲勞極限的影響。(3)進(jìn)行宏觀斷口分析。2. 2擬采用的研究方案、研究方法或措施2. 2.1研究方案a.研究材料本試驗原料分別為純鋁、結(jié)晶硅、純鎂及Ab50Cu,晶粒細(xì)化劑采用Al-10Ti,變 質(zhì)處理選用富鋪混合稀土 Re,精煉劑用工業(yè)CSkoAl-Si二元合金屬于簡單共晶型合金, 共晶點為12.6%Si。隨著合金中Si量的增加，合金的流動性、氣密性提高而熱烈的傾向 減小，并在共晶成分附近表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合鑄造性能。

8、Mg和Cu是鑄造AbSi合金的重 要合金元素，加入其他微量元素Ti、Re等，在保證較高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的提高 合金的韌性。此處選用最常用的鋁合金ZL702A,具體成分如下表：表2. 1 ZL702A合金的化學(xué)成分 琳瑞合金元素 AlSiCuMgTiMn含量 余量6-81-2.50.25-0.50. 1-0.20. 1-0.25b.試驗設(shè)備熔煉設(shè)備：SG2-5-12用煙電阻爐固溶設(shè)備：GY00-31井式電阻爐時效設(shè)備：101-0型電熱鼓風(fēng)干燥箱疲勞測試設(shè)備：PLD-100型液壓伺服疲勞試驗機(jī)拉伸試驗設(shè)備：SUNS-CMT電子萬能材料試驗機(jī)SEM分析設(shè)備：Quanta FEG400型場發(fā)射掃描

9、電鏡2. 2. 2研究方法a.試樣的形狀及尺寸疲勞試樣的制備參照GB3075-82金屬軸向疲勞試驗方法，在澆注成的8標(biāo)準(zhǔn) 拉伸試棒上截取中間部位，加工為標(biāo)準(zhǔn)拉壓疲勞試樣。拉壓疲勞試樣幾何尺寸如圖2.1圖2.1室溫拉伸試樣尺寸b.合金熔煉工藝流程在熔煉過程中加入精煉劑是為了除去原材料中存在的雜質(zhì)及氣體，加入細(xì)化劑 0.2%Ti可以細(xì)化合金中共晶硅以增強(qiáng)合金的力學(xué)性能，加入變質(zhì)劑0.4%RE以改變合金 中Si的形貌，使硅的形貌變得圓滑，從而不損傷基體，實質(zhì)上就提高了合金的力學(xué)性 能。熔化鋁| I （ 760c加硅I > 750加入鋁銅合金：730加入鎂760c加入晶粒細(xì)化劑、Re變質(zhì)劑靜置

10、1020min730加入Al-4Ti合金靜置5lOmin < 760c加入0.4%的C2C16除氣精煉710-730 澆注圖2.2合金熔煉工藝流程圖C.熱處理工藝采用T6熱處理工藝，固溶處理：采用分級加熱，510±5,保溫4h； 520±5, 保溫12h, 60100水冷。時效處理：165±5,保溫6h,空冷。固溶處理時間和溫度對合金的力學(xué)性能影響很大，目前對Al-Si-Cu-Mg合金的固溶 處理溫度，國內(nèi)一般選擇在520C左右，也有490C520C分級固溶的方式，國外一般 選擇在500左右。固溶溫度過高會使富銅相熔化，溫度過低使得合金中第二相的溶解 度下降

11、，固溶時間過長。固溶時間過長并不能使硅相顆粒的圓整度進(jìn)一步得到改善，反 而可能使硅相過分粗大。而固溶溫度過低，固溶時間過短則固溶不充分。因此固溶處理 階段，選擇合適的溫度和時間是十分重要的。固溶溫度是固溶處理的關(guān)鍵因素，AbCu溶解緩慢，保溫時間不夠時不能使其充分 固溶于基體，達(dá)不到強(qiáng)化效果。為了加速Al£u的溶解而提高固溶溫度時，則容易造成 嚴(yán)重過燒。而Mg°Si只有在較高溫度下，才能迅速溶解。綜合考慮各因素，李德成等對 ZL107A合金的固溶處理采用分級加熱制度。在固溶處理時，很小的溫度間隔也會導(dǎo)致 材料性能出現(xiàn)顯著差異，其根本原因是由于共晶硅相粒狀化過程中較大的表面激

12、活能驅(qū) 動所致，所以在固溶處理時準(zhǔn)確控溫是十分必要的。時效處理：指合金工件經(jīng)固溶處理、冷塑性變形或鑄造鍛造后，在較高的溫 度放置或室溫保持其性能，形狀、尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。若采用將工 件加熱到較高溫度，并較短時間進(jìn)行時效處理的時效處理工藝，稱為人工時效處 理，若將工件放置在室溫或自然條件下長時間存放而發(fā)生的時效現(xiàn)象，稱為自然 時效處理。第三種方式是振動時效從80年代初起逐步進(jìn)入實用階段，振動時效處 理則在不加熱也不像自然時效那樣費時的情況下，用給工作施加一定頻率的振動 使其內(nèi)應(yīng)力得以釋放，從而達(dá)到時效的目的。時效處理的目的，消除工件的內(nèi)應(yīng) 力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機(jī)械性能等。d.疲勞

13、極限的測定本實驗采用了單點法測定Al-7Si-2.5Cu-O.3Mg-O.3Mn-O.2Zn合金砂型試樣在 O時 的疲勞極限。文獻(xiàn)表明：疲勞極限與靜強(qiáng)度之間具有一定關(guān)系，金屬材料的抗拉強(qiáng)度越 大，其疲勞極限也越大；計算鋁合金對稱循環(huán)下的疲勞極限經(jīng)驗公式為：er .ip=ab/6+7.5MPa(2.2.2-1)表2.2單點法實驗參數(shù)與結(jié)果表直徑中/mm頻率/Hz最大載荷/kN最大應(yīng)力/MPa周次/cycle5301.23062.6555301.93460.8305301.57859.005對表2.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可以得出Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金的疲勞壽 命

14、曲線(S-N曲線)。e. Cux Mg含量對ZL205A合金的影響本實驗通過改變Cu、Mg含量對Al-7Si-Cu-Mg-O.3Mn-O.2Zn合金的的抗拉強(qiáng)度和延 伸率的測定，從而對疲勞極限的變化進(jìn)行了研究。實驗中分別取Cu含量為2.5%, Mg 含量為 0.1%、0.3%和 0.5%和 Mg 含量為 0.3%, Cu 含量為 1.5%、2.5%、3.5%,采用 0.4%RE 進(jìn)行變質(zhì)處理，0.2%Ti進(jìn)行晶粒細(xì)化。表3.3和3.4中的5MMpa是由公式3.1計算得 出，即為合金的疲勞極限。表 2.3AL7Si-2.5Cu-xMg-0.3Mn-0.2Zn 合金力學(xué)性能Mg 含量/%Gb/MP

15、aSp/MPa6/%表 24AL7Si-2.5Cu-xMg-0.3Mn-0.2Zn 合金力學(xué)性能Cu 含量/%0bzMPao.ip/MPa6/%L52.53.5f.宏觀斷口分析將循環(huán)拉壓的試樣斷口在KYKY. 1000B型掃描電鏡（SEM）下，進(jìn)行對比分析得出相 關(guān)數(shù)據(jù)。3 .本課題研究的重點及難點，前期已開展工作a.重點難點本課題研究的重點是Cu、Mg含量對ZL702A合金拉壓疲勞行為的影響，因此必須認(rèn) 真制定出不同的Cu、Mg含量對比方案。通過實驗對比及數(shù)據(jù)分析來獲得Cu、Mg含量對 ZL702A合金拉壓疲勞行為的具體影響，總結(jié)分析出疲勞斷口對疲勞行為的影響。本課題研究的難點是合金熔煉的工

16、藝流程掌握及對試樣的統(tǒng)一熱處理過程。主要的 影響因素有：a.精煉劑、細(xì)化劑、變質(zhì)劑的使用；b.固溶處理、時效處理溫度的掌握等。 在試樣熔煉和熱處理過程中需要嚴(yán)格控制這些因素，盡量減少對試樣的形貌和性能的影 響。b.前期已開展工作前期的工作主要了解課題并進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，制定實驗方案，撰寫開題報告。4 .完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃（按周次填寫）20132014學(xué)年第一學(xué)期：第1418周：做前期準(zhǔn)備，查閱相關(guān)資料，對課題有一定的了解，完成開題報告。第18周：開題答辯。第1820周：進(jìn)行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)。20132014學(xué)年第二學(xué)期：第18周：進(jìn)一步完善實驗研究方案，進(jìn)行具體實驗，完成試樣的制備和

17、熱處理 工藝，并準(zhǔn)備中期答辯。第8周：中期答辯。第812周：完善實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)果分析，撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。第13周：畢業(yè)答辯。指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）指導(dǎo)教師：年 月 日所在系審查意見：系主管領(lǐng)導(dǎo)：年 月 日參考文獻(xiàn)1張偉，楊通，李建平，等.鑄造ALSi-Cu-Mg合金分級熱處理工藝及對力學(xué)性能的影響 JJ.2007.2吳曉波，張恒華,李敏敏,邵光潔,楊弋濤，等.許珞萍.Fe相及其形貌對共晶Al-Si合金性能的 影響.特種鑄造及其有色合金，2007,27(1):64.3中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊,19934 Klimowicz T F.The La

18、rge-Scale Cormercialization of Aluminum-Matrix CorpositesJ994(11)5羅志鍵，張伯明等.高強(qiáng)度薄壁件鑄造技術(shù)的綜述球鐵,1988(3)6熊艷才，劉伯操.鑄造鋁合金現(xiàn)狀及其展望J.特種鑄造及有色合金,1998(4):1-5.7 P.S.MohantyJ.E.Gruzleski.Mechanism of grain refinement in aluminum.ActaMertalLMater. 1995,43(5):5483-54908 H.G.Kangxt al.Influence of cooling rate and additions of Sr and Ti-B on solidification structures of AC4B type alloy.Proceeding of 3M Asian Foundry Congress. Kyongju, Korea J 9959廖恒成.近共晶Al-Si合金組織細(xì)化與力學(xué)性能的研究.東南大學(xué)博士學(xué)位論文.200010 J.A.Garcia-Hinojosa,C.R.Gonzalez,Y