（凝聚态物理专业论文）电解含钛铝合金的疲劳性能研究.pdf

塑! ! ! 奎兰堡主堕塞 皇壁鱼塾堡垒垒塑壅茎堡壁堕窒 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 摘要 电解低钛铝合金和电解铝硅钛合金是两种新型工艺生产的铝合金，对以二者 和纯铝为基本原料制备的应用铸造合金的力学疲劳性能进行综合的对比研究，将 会对客观评价这两种新材料的性能、在工业生产上推广新工艺，具有非常重要的 现实意义和参考价值。 文章首先考察了含钛铝合金当前在工业上的发展状况，以及我国在这方面与 发达工业国家之间存在的差距，介绍了传统工艺方法生产含钛铝合金的局限性， 以及两种新型工艺生产电解含钛铝合金的研究进展情况，强调了材料的疲劳性能 在现代工程应用上的重要性。 为研究铝合金中所含钛和电解加钛方式对铝合金疲劳性能的影响，分别利用 电解低钛铝合金、电解铝硅钛合金和纯铝制备成三种铝硅系合金中重要的常用铸 铝z l l 0 1 a 和z l l 0 1 ，测试其疲劳性能以及相关力学性能，并进行对比研究。微 观组织分析结果表明，相对于不含钛的z l l 0 1 ，微量的钛可以使电解低钛铝合金 制备的z l l 0 1 a ( a i t i l o i a ) 和电解铝硅钛合金制备的z l l 0 1 a ( a s t l 0 1 a ) 的( a 1 ) 相的晶粒细化，晶粒大小分布均匀，但对它们的s i 粒子尺寸和形貌影响不大。 以上述三种试验铝合金为对象，首先对比研究了不同的成分和组织对合金拉 伸性能和断裂韧性的影响。结果表明，t i 对晶粒的细化可以大幅提高试验合金 的抗拉强度、延伸率和断裂韧性，但对合金的屈服强度影响不大。a s t i o i a 中微 量的f e 元素对合金的弹性模量会有所影响，对合金的抗拉强度和屈服强度影响 很小，但会大大降低合金韧性和塑性。 通过高周疲劳测试方法研究了a s t l 0 1 a 和a i t i l 0 1 a 抵抗疲劳裂纹萌生的性 能，把最大似然法和相关系数法结合起来处理不完全疲劳寿命数据，给出了 a s t i o i a 的s n 曲线、p - - s - - n 曲线和疲劳极限，讨论了加载历史、缺陷等对疲 劳寿命的影响。 对比研究了上述三种合金的化学成分对微观组织结构，及其所引起的材料疲 郑州大学硕士论文电解含钛铝合金的疲劳性能研究 劳裂纹扩展性能和疲劳门槛值的显著差异。结果表明，a s t l 0 1 a 、a 1 t i l 0 1 a 和 z l l 0 1 中s i 粒子的浓度、大小和形貌对材料疲劳门槛值的高低有一定的作用， 脆性的富f e 相是疲劳门槛值降低的另一个重要原因。随着疲劳裂纹扩展速率从 近门槛值区向p a r i s 区过渡，细小的d ( a 1 ) 晶粒会加速疲劳裂纹的扩展。三种 试验合金在p a r i s 区的扩展没有明显的差别，表现出裂纹扩展速率在p a r i s 区时， 疲劳裂纹扩展对微观组织结构的不敏感性。但随后的扩展会受富f e 相和s i 粒子 的大小和形貌的共同影响，致使a s t l 0 1 a 的扩展速率最大，而a 1 t i l 0 1 a 的最小。 本文较全面地测试和对比研究了以电解低钛铝合金和电解铝硅钛合金这两 种新型电解含钛铝合金为原料制备的铸造合金a s t l 0 1 a 和a 1 t i1 0 1 a 的疲劳性能 以及相关力学性能。结果表明，电解低钛铝合金制备的a 1 t i l 0 1 a 具有良好的拉 伸性能、断裂韧性和抵制裂纹扩展的能力，电解铝硅钛合金中较高含量的f e 降 低了a s t l 0 1 a 的疲劳性能以及相关的力学性能指标，因此降低电解铝硅钛合金中 的铁含量，或使合金中的铁变质将会提高a s t l 0 1 a 的疲劳性能和相关力学性能。 关键词：电解低钛铝合金，电解铝硅钛合金，晶粒细化，s - - n 曲线，疲劳门槛 值，疲劳裂纹扩展 l i 塑! ! ! 查兰堡主笙苎 皇坚鱼竺塑鱼全箜壅蔓丝! ! 翌壅 s t u d y o ft h ef a t i g u ep r o p e r t yo f e l e c t r o l y t i ct i t a n i u m 。c o n t a i n e d a l u m i n u m a l l o y a b s t r a e t e l e c t r o l y t i cl o w c o n t e n tt i t a n i u ma l u m i n u ma l l o ya n de l e c t r o l y t i ca i - s i - t ia l l o y a r et w on e wa l l o ym a t e r i a l sp r o d u c e db yn e wt e c h n i q u eo fp r o d u c t i o n i t 1 1h a v ev e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ea n dr e f e r e m i a ls i g n i f i c a n c ei ne v a l u a t i n gt h ep r o p e r t i e so f t h et w on e wm a t e r i a l sa n d g e n e r a l i z i n gt h en e wt e c h n i q u eo f p r o d u c t i o n i ni n d u s t r yt o s t = u d ya n dc o m p a r et h ef a t i g u ep r o p e r t i e sa n dr e l e v a n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e a p p l i e d c a s ta l l o y sm a d ef r o mt h e ma n d p u r ea l u m i n u mc o m p r e h e n s i v e l y i nt h i sp a p e r , c u r r e n td e v e l o p m e n to ft h et i t a n i u m c o n t a i n e da l u m i n u ma l l o y si n i n d u s t r ya n dt h eg a pb e t w e e no u rc o u n t r ya n da d v a n c e di n d u s t r i a l c o u n t i e sw e r e i n t r o d u c e d f i r s t t h e s h o r t a g e o ft r a d i t i o n a l t e c h n i q u e f o r p r o d u c i n g t h e t i t a n i u m - c o n t a i n e da l u m i n u ma l l o ya n dt h ec u r r e n tr e s e a r c ho ft h et w on e wt i t a n i u m - c o n t a i n e da l u m i n u ma l l o y sp r o d u c e di nn e w t e c h n i q u e w e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e n t h es i g n i f i c a n c eo fm a t e r i a l sf a t i g u ep r o p e r t yi nc u r r e n te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw a s e m p h a s i z e dp a r t i c u l a r l y i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f t h ee x i s t e n c ea n da d d i n gw a y so f t r a c et i t a n i u m o nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fa l u m i n u ma l l o y s ，t h r e ei m p o r t a n tc o m m o n - u s e ds t a n d a r d c a s ta l l o y sz l l 0 1 aa n dz l l 0 1w e r e p r e p a r e dw i t he l e c t r o l y t i cl o w c o n t e n tt i t a n i u m a l u m i n u ma l l o y , e l e c t r o l y t i ca i s i - t ia l l o ya n dp u r ea l u m i n u mr e s p e c t i v e l y t h e f a t i g u ep r o p e r t i e sa n dr e l e v a n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e s et h r e ec a s ta l l o y sw e r e t e s t e da n dc o m p a r e dc o m p r e h e n s i v e l y t h ea n a l y s e so ft h e i ri i l i c r o s n l l c t i l i es h o w e d t h a tc o m p a r i n g 、i t l lz l l 0 1t h a tc o n t a i n e dn ot i t a n i u m t h et r a c ea m o u n t so f t i t a n i u m i na l l o y sc a u s e dg r a i n r e f i n i n go f a l - 1 s ii nz l l 0 1 ap r e p a r e df r o me l e c t r o l y t i cl o w c o n t e n tt i t a n i u ma l u m i n u m a l l o y ( i e a 1 t i l 0 1 a ) a n dz l l 0 1 ap r e p a r e df r o m e l e c t r o l y t i c a i - s i - t ia l l o y ( i e a s t l 0 1 a ) ，a n dt h eg r a i ns i z ed i s t r i b u t i o nb e c a m e m o r ee v e n ，w h e r e a st h et r a c ea m o u n t so f t i t a n i u mh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h es i z ea n d 1 i i 郑卅i 大学硕士论文 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 s h a p e o fs ip a r t i c l e si nt h e s ea l l o y s t 1 1 i s p a p e r s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o n e n t sa n d m i c r o s t r u c t u r ei na b o v ea l u m i n u ma l l o y so nt h e i rt e n s i l e p r o p e r t i e s a n df r a c t u r e t o u g h n e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r a i nr e f i n i n gb y t h et r a c ea m o u n t so f t i t a n i u m c o u l di m p r o v et h et e n s i l es t r e s s ，p e r c e n t a g ee l o n g a t i o na n df r a c t u r et o u g h n e s s ，b u t h a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e i ry i e l ds t r e s s t h et r a c ea m o u n t so fi r o ni na s t l 0 1 ac o u l d a f f e c ti t se l a s t i cm o d u l u s ，b u tn o ti t st e n s i l es t r e s sa n dy i e l ds t r e s s ，a tt h es a m et i m e d e c r e a s ei t sp l a s t i c i t ya n df r a c t u r e t o u g h n e s sn o t a b l y n ea b i l i t i e so fr e s i s t i n gt h ei n c u b a t i o no ff a t i g u ec r a c ki na s t l 0 1 aa n d a i t i l 0 1 aw e r et e s t e d 耐t lt h eh i g l l - c y c l ef a t i g u em e t h o d am e t h o dc o m b i n i n gt h e m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o nm e t h o dw i t ht h ec o r r e l a t i o nt o e 伍c i e n tm e t h o dw a s s u g g e s t e d t o a n a l y z e t h e f a t i g u e l i f e e x p e r i m e n t a l d a t as o m eo fw h i c hw e r e i n c o m p l e t e t h es - n c u r v ea n dp - s - nc u 、，e sw e r ep r e s e n t e d a n dt h ei n f l u e n c eo f t h e l o a d i n gh i s t o r ya n d t h ed e f e c t si ns p e c i m e no n f a t i g u el i f ew a sd i s c u s s e d t h er e m a r k a b l ed i f f e r e n c e so f t h e f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i n g r a t e sa n dt h ef a t i g u e t h r e s h o l da m o n gt h ea b o v et h i n ea l u m i n u m a l l o y sw e r es t u d i e da n dc o m p a r e d ，w h i c h w e r ec a u s e db yt h em i c r o s t r u c t u r eb a s e do n a l l o y s c h e m i c a lc o m p o n e n t s t h e r e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n ，s i z ea n d s h a p eo f s ip a r t i c l e si na 1 t i l 0 1 a ，a s t l 0 1 a a n dz l l 0 1h a ds o m ee f f e c t so nt h ef a t i g u et h r e s h o l d ，a n dt h ei r r e g u l a rs h a p e db r i t t l e p h a s eo f f ei n t e r m e t a l l i c sc a u s e dt h ef a t i g u et h r e s h o l dd e c r e a s e d n e f i n i n gg r a i n so f a i - 1 s ic o u l da c c e l e r a t et h ef a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i o nf r o m t h en e a rt h r e s h o l dz o n e t op a f i sz o n e 1 1 1 ef a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i n gr a t e so f t h ea b o v ea l u m i n u m a l l o y si np a d sz o n e h a dn or e m a r k a b l ed i f f e r e n c e s 。i tw a ss h o w e dt h a tf a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i n g r a t e sh a d l i t t l es u s c e p t i v i t yt ot h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea b o v e a l l o y si np a d sz o n e i nc o n t r a s t ， t h es i z ea n ds h a p eo fs ip a r t i c l e sa n dt h ep h a s eo f f ei n t e r m e t a l l i c sc o u l da f f e c tt h e f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i n gr a t e sb e y o n dt h ep a d sz o n e n l ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i n g r a t eo f a s t l 0 1 aw a st h eh i g h e s t ，a n dt h a to f a l t i l 0 1 a w a st h el o w e s t i nt h i sp a p e r , t h ef a t i g u ep r o p e r t i e sa n dr e l e v a n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h e a b o v et h r e ec a s ta l l o y sw e r es t u d i e da n dc o m p a r e d c o m p r e h e n s i v e l y i tw a ss h o w e d l v 郑州大学硕士论文 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 t h a ta i t i l o i ah a de x c e l l e n tt e n s i l ep r o p e r t i e s ，f r a c t u r et o u g h n e s sa n dc a p a b i l i t i e so f r e s i s t i n gf a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n ，w h i l e t h e f a t i g u ep r o p e r t i e s a n dr e l e v a n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a s t l 0 1 aw e r e p o o r e r t h a nt h a to f a l t i l 0 1 ab e c a u s eo f t h e p h a s e o ff ei n t e r m e t a l l i c s i tw a ss u g g e s t e dt h a ti tc o u l d i m p r o v et h ef a t i g u e p r o p e r t i e sa n dr e l e v a n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ee l e c t r o l y t i ca i - s i - - t i a l l o yt o r e d u c ei r o nc o n t e n t sa n d m o d i f yt h ep h a s eo f f ei n t e r m e t a l l i e si ni t k e yw o r d s ：e l e c t r o l y t i cl o w c o n t e n tt i t a n i u m a l l o y ；e l e c t r o l y t i ca 1 s i t ia l l o y ； g r a i n - r e f i n i n g ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；s - nc u r v e ；f a t i g u et h r e s h o l d ； f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n v 郑州大学硕士论文 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 第一章绪论 由于铝的密度小，比强度高，具有良好的导电导热性能以及耐腐蚀等优点， 成为产量仅次于钢铁的基础性材料。纯铝的机械性能较低，需在纯铝中加入其它 金属元素使之合金化来改善其机械性能，因此铝合金材料在航空航天、交通运输、 化工机械、建筑工程等诸多领域得到了广泛应用。 铝硅系铸造合金具有良好的铸造工艺性能和气密性，是各类铸造铝合金中应 用最多的铸造铝合金。目前，其消费量占到了世界原铝产量的2 5 左右，占铸 造铝合金总量的8 0 以上。而其中的主要合金牌号z l i o i 和z l l 0 1 a 具有良好的 铸造性能、机械性能和抗腐蚀性能，可用来生产各种形状复杂、承受中等载荷的 譬如汽车轮毂、活塞等工程构件 1 。随着我国现代工业的发展，特别是汽车工业 的不断壮大，对于此类铸造合金的需求量将会越来越大。 为适应工业发展对材料性能提出的更高要求，人们直在寻找各种方法来改 善材料的性能。如果一种新型的生产工艺能够提高铸造铝合金的机械性能，那么 此工艺的推广将具有广阔的应用前景和潜在的巨大价值。在铝合金中加钛能明显 细化铝合金的晶粒，提高材料的各种力学性能，已为世界上越来越多的国家所认 识和应用。电解低钛铝合金和电解铝硅钛合金是两种新型工艺方法生产的含钛铝 合金，因此，对此类合金的性能做出研究，将具有重要的理论意义和应用价值。 疲劳性能是材料的一个重要力学性能。随着人们对材料要求的不断提高，按 照传统的静力学方法设计的构件已远远不能适应诸如航空航天、汽车工业、核工 业等领域对安全可靠性的要求。疲劳性能在现代工程应用上的重要性日渐显现， 并且越来越受到人们的重视。 为此，本章首先考察一下含钛铝合金的发展现状，然后讨论疲劳性能在工程 应用上的重要性和当前对这两种新型合金疲劳性能的对比研究工作所存在的不 足，提出本文的研究内容和意义。 1 1 含钛铝合金的发展现状 现代工业和科技的发展，不仅对铸造铝合金的需求量越来越大，同时航空航 郑卅i 大学硕士论文 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 天、汽车铸工监弱飞速发震，瓣锤合金茨淫韪鸯爨滋了更裹翡要求el 毽a 千年来， 为提高铸造铝合金的机械性能，充分发挥铝合金的潜力，除了在铝合众的熔炼工 艺、热处理工艺以及铸造工馘的改进方面做了大燃研究以外，人们围绕着铸造铝 合金成分、组织和性能之间的相互关系和作用机瑕做了大量的研究工作。 改遂黛产铸造铝合金豹王葱过程，提裹铸逑锻仑金瓣援壤牲辘以邋疲现代工 监静霰簧，楚镭合金研究的童簧目的。通过合理熊调节合金的成分，瓣如采取铝 合金纯化、净化等方式去除含众中的有害元素和杂质、气孔等缺陷，同时采用细 化、变质、时效等工艺改善含鑫的微观组织，才能熙好的提高铝合众的性能。细 晶强化不仪施提高会金的强度蕊且能嗣对改善会众的塑性和韧性。毽北，它成为 提蹇铝及冀含金强耘豫豹交为蠢效瓣手段。 从2 0 世纪4 0 年代以来，微量的t i 对晶粒的明显细化作用引起了人们的重 视，人们认识到在铝基合金中加入微量的钛( t i ) ，能细化晶粒，撮商合金的疲 劳强度，毁簧其耐磨性、耐腐蚀性 2 ，3 。经过几十年的研究和实践，在铝合金 孛添热中润会金缨恁裁豹技本驻褥蘩了广泛静瘦蠲，或为铝铸箨窝鍪糖生产孛魏 有枫组成工序。 向锅龠金中掺加微量的t i 可以细化晶粒，掇瀚其力学性能，若同时有微量 的b 元素存在时，可增强细化效果，并且可以有效的抑制细化效果的袭退 4 。 最初，纲纯裁是强氟盐的形残嬲入铝熔体中，郯纛接把k f f i f ；和k b f 4 2 1 入熔体， 使之与锻滚发生翔下反应 翻： 3 k 2 t if 6 + 4 a i = 3 t i + 4 a if 3 + 6 k f 3 k ：t if 6 + 6 k b f 4 十i o a i = 3 t i b ：+ i o a i n + 1 2 k f t i + 3 a i = t i a i 。 爱瘟生成t i a i s 窝t i b 。等熔悫较慧豹鬏粒镬鑫粒箨戮爨纯。餐由予该避疆矬理大 量熔体时滚以搡作，产生的细化效果不均匀，在大舰模应用时很难控制反应参数。 此外，氟般的2 0 3 0 会在殿应中挥发，使得t i 和b 的实收率降低，并且氟盐 对设备有很强的腐蚀作用，大大缩短设备的使用海命，此方法已基本不孵被采用。 六十颦代以来，人靠j 广泛袋爝了戳中间合金的形式热入缨化裁，以毙服直接 热入氟簸遮藏静缺点，霹蓠最蠢敷翡中闻舍金维镬：雾是a i - - t i b 中阏含金。采 用这种方式加入t i 元素， - i p a 取得很好的细化效果，并且细化剂的裳回收率也 2 郑州大学硕士论文 电解含钛铝合盒的疲劳性能研究 摄毒，蠢簸麓锫工韭赛爨变采璃瓣螽粒绥纯裁。熬然该方法取褥了缀妊戆缀纯效 果，但是由予t i b ：易聚集产生缀织缺陷，并且在禽肖z r 或c r 的铝合众中易“中 毒”而产嫩不均匀的组织，失去细化晶粒的作用。 t i 元索对铝合金的晶粒绷化作用，以及b 元索对细化衰退的明鼹的抑制作 趸，已经终为一个重要懿专鼹巍一些因嚣铸造学零会议上褥到了深入瓣戮讨。近 年来，隧麓研究的不断深入，入们对t i ( b ) 对菇粒的细忧梳理有了深入的认识， 提出了许多观点和理论。主要的观点包括包晶殿威理论、晶粒增殖瑷论、抑制 n ( a i ) 黼粒生长理论和t i c 核心理论等 6 - 9 。这些理论在一定稷媵上对某些 细化现象给如了解释，但各耱理论都不能完全说豳t i 等细化元素的住瘸机理， 有些毽论瑟至是箱互矛藩蠡孽，这氇复获鑫鬟合金缁镬：撬瑾熬复杂性。 近年来，人们为了解决a i - - t i b 细化荆在殿用上的缺陷，一赢在寻找更好 的中间合焱来取代h l - - t i b 中间合金。相继研制了一些诸如a i t i 5 b o 2 、h l t i 6 和a i t i l o 等低硼和无硼的中间含金，但效果并不明显。t i c 粒子聚隳的倾向不 弱显，势基攀存在z r 秘c r 孛凑鹣瑗象，h l - - t i c 审翔会金有霹黪成为薪鍪夔 中闯合众辩得到大规模的应爝 1 0 1 2 。有些研究表明，稀士元素诡可以克服 a i - - t i b 细化剂的缺点，可以收到很好的细化效果 1 3 1 4 。 目前，钛对铝及其合金的强化作用已经为人们所熟知和公认，并被世界的工 业化国家农镪铸造工业孛广泛浆用。下表 1 5 给出了部分发达匡家铸造铝合金牌 号貔含钦壤滋，获孛我翻看滋，在美国的铸造含众标准薅号孛，8 0 疆上戆薅号 要求或者允许含有适量的钛元素，而其它发达的工业国家则要求更高，几乎每一 种铸造含众都要求或允许含肖适量的钛元素。 表1 i部分发达国家铸铝合盒牌号的含钛情况 我国猩1 9 6 6 年制定戆交形锯台金标准中，3 7 耪薄号的锯合金中只有9 释规 定必须含钛，其余的牌号对t i 没有做出要求，1 9 8 6 年修订的铸造锅台金国家 郑州大学硕士论文 电解含钛铝合金的疲势性能研究 标准g b l l 7 3 - - 8 6 豹2 6 中合金薅号中，有1 1 秘羧囊燕钛，占总数戆4 2 ，其中 9 种允许含钛不超过0 1 5 或鬻0 2 0 。而在1 9 9 6 年公布的最新标准中，要求 或者允许含钛0 1 o 3 的台金牌号占到了7 0 以上。由此可以餐出，含钛 铝合金在我园越来越受到重视，并且逐渐得到推广成用。 。 煞产含钛锯会金豹费绞董艺 现在，工业上主要是黻 传统的方法生产含钛的铝 合金，即柱熔配过程中加入 含有t i 炙豢静缨位裁。砖 电 统方法生产含钛酌铝硅中 间合金的工艺流程如图l 所示意。从图中我们看到， 钛是以中间合金豹形式加 入。羞要获褥含锾戆锯硅孛 闻合金，则需采用熔配法剌 取铝硅中间合金和铝钛中 间合金，即用纯铝和纯硅配 l 原料 i 一 l 硅矿物l l 铝矿物ii 钛矿物l 。 i 1 艇寐】：岂过程l馘吨 黼甄茹蟪l| 氧纯裙| 弱氯纯钛| l 鳃硅ll 纯铝ll 纯钛l i 熔配铝硅中阅合金熔配锚钛中间合金 l 簿鬻 含铁锈硅中闯合金l 图1传统方法生产含钛铝合众工艺示意图 铡孛阕仓众，霉与铝钛中闻会众耋熔潮备所嚣成分的锫硅钛会金。态黛产缝鹈、 纯硅和纯钦时，需经复杂豹工慧除去杂质元素，然簸经多次重熔来获褥铝硅钛合 金。因此，传统的制备铝硅钛含金的方法不仅王毡复杂、流程冗长、能耗大、生 产成本高，而且在生产纯铝时，把铝土矿中的s i 和t i 等元素作为杂质元素去除 掉，造成材料的极大浪费 1 6 。j 逝外，我国的中闽合金的生产技零比较落螽，相 对国羚戆稳麓成分豹产品，缨凭效栗要差缀多，势整震量毽不稳定。瀚辩，我嚣 的钛资源静限，开发利用比较落后，因此我国使用的中间合金大都依赖予进口， 其昂贵的价格限制了我国含钛铝合金工业的发展。因此，结合我国的实际，合理 利用现有资源，在不增加或者少增加投入的基础上提高铝硅系合金的性能将是一 令粪霉蠢爨义熬潆题。 1 1 2 瞧解锯硅钛合金和毫躲低钛铝合金 4 郑州大学铆i 士论文 电解含钛铝台金的瘢游性能研究 与嚣终瓣铝矿资源大多楚羝硅毫羲不 同，我国的铝矿资源普遍含谢较高的硅和 钛，而铁含量较低。结合我囡的铝矿资源 的特点，郑州轻金属学院的科研人员提出 了一释教糕工艺，铡用镊毫麟糖壹接邀簿 铝矿穆，保聱铝矿中含有斡锻、硅、钛， 除去铁等宵害杂质，经成分调熬获得硅钛 氧化铝，熔盐电解后获得铝醚钛多元合金 ( 簿记傲a s t ) 。这为含钛错会众的生产提 筷了一个灏斡愚鼹。郑翊大孥糖鹳耪瑾试 铝矿耪 铁处理 成分调 疆钛氧化锱 舂盐处理 电解锅硅钛合金 图2 魄解锫建镀舍金工藏滚程 验室利用这种合金制备成z l i o i a 等多种牌号的铸造铝合金，对它们的成分、组 织、宏观力学性能做了长期细致的研究。研究发现，与利用传统工芑方法生产的 铝硅钛合众制备的铸造合金相比，利用电解法生产的铝硅钛合金制备的相应牌号 铸造会金豹牲戆骥显往受魏多。筹显迸一步迂实，逡藏这穆性韪饶整瓣羰因是逶 过了电解方法丽不是熔配方法便合金含0 2 o ，3 的铁元素。徽溉缱织研究 表明 1 7 1 9 ，a s t 的微观组织明显优于熔配方式得到的铝硅钛合金的微观组织， 并且该含众在汽车的某些零部件和活塞的制造工业中得到了部分利用，性能改进 豹效果非常明显。 毽痰予粪揍电解生产静镄赣镀会金中硅、铰元素的含量较褒，篌褥a s t 一般 只能以中间含金的形式应用予锅硅系铸造合金和少量的允许硅、钛含激较高的变 形铝合众，这就限制了a s t 的威用范围。同时，由于高含量的硅钛氧化物会严重 的腐蚀电解槽，使得电解槽工作状态不稳定，电流效率大大降低，严麓的影晌电 惩逮程，瓣辩，垂手铝矿袋分豹不缘玺，逶过豫铁谖整熬方式缀裂瓣a s t 戆戒 分波动较大，并且困除铁技术落后，a s t 中的含铁爨很高，这些因素馒得该合金 的全面推广面临着很大的困难。 电解中硅、钛元素对电解过程有严重的不良影响，使得a s t 在技术器求达不 到静翦掇下缀难褥羁工业上静攘广。硅是一耪份榛低廉嚣盈在铝合金豹嬉配过程 中较荔添糯鲍元素，因忿胃良谯瞧解过程孛去除蘸戴亿物两只保留铰鬣佬物，僵 这在技术上很难做到。考虑到电解掺钛是合金性能优化的主要原因，希望在电解 郑州大学硬士论文 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 过程中保整镰鑫冬添麓。本蓑这榉静愚路，在霍裕警豌嚣撵导下，郑髑大学耱辩 物理试验赛分析总结了许多单位多年来的研究工作，创造性的提出在传统的原纯 铝生产工拨电解槽中掺加少墩的钛氧化物电解生产低钛铝合金的构想。具体做法 是：在电解生产原纯铝的电解槽中，向氧化铝中掺加少量的t i 0 2 ，电解生产含钛 0 。l o 3 的低镀锯合金。耀这耱瑟鍪工艺生产瓣会金，我謇】称为魄解低钛铝 合金。 这种一艺不仅在电解过稷中使得铝合金含有数量可以调控的钛冗索，而且避 免了硅对电解过程的不良影响。由于掺加的钛氧化物非常少，对电解槽的工作状 态以及暾漉效率影响不大，弗髓微量的钛在电流磁场的终用不会在电勰液中大量 瀛淀嚣逡藏t i m 。固稚静褥滋。毫解法生产诋镰锾仑金容荔控零i 煞成分，并显 t i 的实阐收率达到9 5 以上。通过电解加钛不仅可以更加有效地细化龋粒，并 且其抗细化衰退的能力比熔配加钛合金要强许多 1 5 。从理论上和工业试验方 面，试验窳对在工业上推广生产这种合金的可行蚀做了大量的工作，诞实这种工 艺在工鼗土大裁模接广是胃器戆 2 0 j 。 1 2 会属材料的疲劳性能 材料的疲劳是指材料在威力或应变的反复作用下所发生的性能变化，般情 况下特指鄹些导致开裂或破螺瓣性越变纯。近几馨来，由子疲劳破坏褥导致的 灾难毪事赦懿频繁发生，按照传统静常矮设诗方法掰设计静梅释，在黉求蹇可靠 度的领域内，已远远不能满足现代工业发展的需骤，这使得人们对疲势破坏的作 用给予了愈来愈高的重视。 工稷构件的疲劳损伤过稷，首先是微观组织和结构在外场应力的作用下发生 交纯，形袋永久豢褒嚣菝，冬。魏核心苓繇发袋产爱徽溪爱绞。然震徽漤袈纹逐澎 长大、合并，汇总形成宏蕊生浮裂纹。主导裂纹缀过一个稳定扩展阶段厝失稳扩 展直至断裂。该过程可划分为疲劳裂纹萌生、疲势裂纹扩展和最终失稳断裂三个 阶段【2 l 】。在失稳扩展阶段，构件已失去承载能力，很快会导致破坏，所以疲劳 研究主要裘中在疲劳裂纹萌垒秘装纹扩爱这两个盼段。 。2 疲劳佳能在臻代工程痰精上的重要性 疲劳断裂一直是机械零件和工程构件破坏的最主要的形式。在航窳航天、造 6 郑州大学硕士论文 电解含钛铝台金的疲劳性能研究 船、化工机械、交通运输、工程机械等领域中，约裔5 0 9 0 以上的结构强度 破坏是由疲势破坏造成的，据美国1 9 8 2 年的统计，因疲劳断裂引起的事故在机 辕结褥中豹失效甚至占舞慧数嚣9 5 叛主 2 2 ，2 3 。诲多援攘零帮磐，絮强辘、 连杆、齿轮、压力容器、海洋平台、飞机涡轮发动机、汽车机叶片和焊接结构等， 宦们主要以疲劳失效的方式发生破坏。 旱在1 9 艇纪旱蘩，疲劳魂象裁弓| 越了久翻翡注意，诲多辩擎豢程工程舞对 众属材料的疲劳性能做了开拓性研究。假人们对疲劳破坏的危险做认识不足，这 是要是因为疲劳破坏在构件达到疲劳寿命时就会突然断裂破坏掉，而事先没有恩 溪熬交形。靛窝靛天事韭笈溪豹莩蘩，发整了一系爱惨耋瓣空难事绛。英藿德蹬 维兰公司的茵批三架彗星母飞机在1 9 5 4 年前后相继失事。试验诚实，失事的原 因是由于座舱反复的加压和减压引起的疲劳循环应力使得金属蒙皮发生了疲劳 玻环。a l o h a 靛空公司豹絮波謇7 3 7 搂气辊辊身簸审蠢薮裂；1 9 8 5 年8 胃，霸 本一架波音7 4 7 s r 飞机在飞行中后压力舱破裂，垂直照翼折断，遗成了5 2 0 人遇 难，4 人重伤的重大航空事故。导致两越事故的原因熄多条未被梭测出的疲劳裂 纹扩震嚣雩l 怒瓣凝裘。滚爨瓣教调使褥入察开始霹疲努玻嚣毒了雯麴深入兹了麟 和认识，随蓠疲劳理论研究的进步和计算机技术的迅猛发展，在航空航天、铁路 逡输和核工业等对疲劳性能要求很高的部门，越来越熬视材料疲劳性能方面的揩 髹，麴俘静强发设诗已经囊嚣来主要菝纛势强度覆稼秘传统静安全海余设诗发震 到今天的损伤容限设计，遮不仅降低了产品的生产成本，而且大大提高了构件使 用的可靠性 2 4 ，2 5 。 今天，按照传统熬蘩栽设诗方法掰谈诗懿梅箨，已远远苓笺滚怒瑗筏工监发 展的需要，疲劳性能在材料性能中的莺翳地位已经逐渐地显现出来。人们已建嶷 和发展了大擞理论来解释疲劳裂纹萌生朔扩展的规德和机制，在此基础上探求掇 寒疲劳裂绞蘩囊获力窝疲势爱纹扩震撬力耱工疆设计方法。随着耪搴淳辩学和断裂 力学等相关学科的发展和成熟，以及技术的进步对材料性能要求的不断提高，材 料疲劳性能的研究越来越受到人们的重视，其研究的领域不断拓宽，涉及到材料 科学、耪理、廒用数学、靛空帮辊棱等诲多学辩【2 6 】。 1 2 2 疲劳性能研究的内辫 材料在循环加载下产嫩疲劳破坏的墩力循环数或威变搪环数称强疲劳寿命， 郑州大学喇士论文 电解禽钛铝台盘的疲劳性挠研究 它定量遣描述材料对疲劳破坏的抵抗能力。以是否产生工程裂纹来区分材料疲游 寿命的两个不怒阶段。产生工程裂纹以前的寿命称为“裂纹蘸生寿命”；从王 稳裂纹扩爨绷旗爨尺寸袋新裂夔毒愈梵“矮绞扩鼹辫禽”，憨澎念是裂纹麓囊 毒命移裂纹扩震寿命的总和【2 7 】。 对疲势裂纹萌生寿命朔裂纹扩展寿甜作用的不f 珂权堂，在工襁上主要有两种 不同懿疲劳设诗方法。一释是蔻寿命法，该方法熬设诗愚想是裂纹谚垒寿命占穗 件( 初始光裂纹或具有光滑表面的构佟) 疲劳寿命的主要部分，拄设计中主要体 聪如提高众属章手料裂纹萌煞抗力韵设计思想。另一种为损伤容限法，该方法认为， 癸际橇 孛憩存在者初始熬损伤裂纹，金。耩材料懿疲劳寿鑫为该翅始裂纹扩最戮禁 一临界尺寸的应力或应变循环周数。下面就结合两种设计方法，对疲劳破坏的两 个阶段豹研究魄骞和方法分剐诈一介缓。 ，2 。2 ， 菠势裂纹蘸生 总寿命法主要研究疲劳裂纹萌生寿命与材辩本身鞍辩界诸因索之间的关系。 遄过控制j l 蓠环成力或应变擞围来描述疲劳寿命，有秘种不婀的试验方法。若控制 镶环应力，使糖辩农低禳撩环痉力下主蘩发生弹性黟交，两驻褥剿缀长兹疲劳窬 命，故称为禽周疲劳试验。相反，低周疲劳试验是加缓离的应力使材料发生明显 的塑性形变，缝过较低的循环周数两导数疲劳破坏。举文擞要利用黼周疲势方法 来考察耪料对疲劳裂绞薅生的撬力。 时闻t 图3 循环疲力载荷 常惩熬循环载荷为形翔匿3 搿示懿爱弦波，热载懿藏率一般不超过2 0 0 h z 。 在商周疲劳试验中，用疲劳强度s 来表征材料对疲劳的抗力，它是由应力幅值和 嶷力均僮两个参数共同作用控赵韵，应力幅值积应力均蠖总称“应力农乎”， 璁胃鼹雯薄个簿效参数应力魄r = 。遮，d 。蠢最大黢力a 。来表示。 嚣 郑州大学硕士论文 电解含钛铝合金的疲劳性能研究 一般金属材料的疲劳强度s 与疲劳寿命n 之间存在着确定的函数关系，疲 劳寿命n 随疲劳强度s 变化的曲线大致如图4 2 6 所示。它利用对称循环应力( 应 力比r = 一1 ) 的应力幅值o 。和导致材料破坏的对数疲劳寿命l g n 为坐标表示两 种典型的金属材料的s n 曲线。从图中我们看到，在恒幅加载条件下，钢铁材 料的s n 曲线具有明显的转折，在1 0 5 1 0 7 周次时趋于水平。水平渐近线对应 的应力值称为疲劳极限o 。当应力幅值低于疲劳极限时，试样有无限长的疲劳 寿命。但对于铝、镁、铜等有色金属材料来说，它们的s n 曲线不具有明显的 转折，曲线是连续的下降而不存在水平渐近线，不存在明显的疲劳极限。在这种 情况下，我们把试样至少循环l o7 或1 0 8 周次时对应的最大应力幅值称为条件疲 劳极限。 1 0 31 0 41 0 51 0 61 0 7 对数疲劳寿命l g n 图4 钢铁和其它合金在对称循环加载下的s n 曲线 有许多种经验公式描述疲劳曲线，最常用的是三参数幂函数公式： ( 。一吼) ”= c 式中a 0 ，m ，c 为待定常数。 有许多因素，诸如应力状态、加载方式、表面处理以及环境等因素，都会影 响到材料的疲劳寿命。首先，应力水平的高低决定了材料疲劳寿命的长短，旋加 应力水平越低，材料的疲劳寿命就越长。上面对疲劳寿命的经验描述都是基于循 环载荷的平均应力o 。为零的情况，但实际受力情况比较复杂，仅仅考虑平均应 力a 。为零的循环载荷是不能全面反映应力同寿命之间的关系。 除了平均应力影响疲劳寿命外，变动的应力幅值也会影响材料的疲劳寿命。 当向构件施加