（材料物理与化学专业论文）电解低钛铝基合金制备的zl108合金疲劳性能与断裂韧性研究.pdf

郑州大学硕士论文 摘要 电解低钛铝基合金制备的z l l 0 8 合金疲劳 性能与断裂韧性研究 摘要 z l l 0 8 合金是一种常用的活塞合金，国家标准中并没有要求含钛元素。为系 统地研究加钛和不同的加钛方式对z l l 0 8 合金疲劳性能和断裂韧性的影响，以 电解低钛铝基合金和a 卜t i 中间合金为原材料，采用相同的试验条件，分别制备 z l l 0 8 合金、电解加钛z l l 0 8 合金( 汜作z l l 0 8 d ) 和熔配加钛z l l 0 8 合金( 记 作z l l 0 8 r ) ，在m t s 8 1 0 型材料试验机上进行对比试验。 在疲劳裂纹扩展试验中测量了三组合金的疲劳裂纹扩展速率和门槛值。基于 同组合金各试样对该合金的d “d n 一k 曲线贡献应相等，提出了成组试验数据 代表点拟合的新方法，用不同试样的试验数据代表点拟合出该合金p a r i s 公式的 单一组参数c 和m ，以便于不同组合金试验结果的比较。 研究发现，两种加钛方式都提高了z l l 0 8 合金的门槛值k 山，并且z l l 0 8 d 的门槛值高于z l l 0 8 r 合金。在不同疲劳裂纹扩展阶段，电解加钛和熔配加钛对 扩展速率d a d n 的影响有所不同。在近门槛区，两种加钛合金的扩展速率显著低 于z l l 0 8 合金，z l l 0 8 d 合余的扩展速率最低；而在p a 打s 区，三种合金的疲劳 裂纹扩展速率变化趋势与近门槛值区相同，但差别没有近门槛值区明显。 在断裂韧性试验中测量了三组合金的平面应变断裂韧度k ，c ，采用数理统计 中显著性检验方法分析试验数据。结果表明，在显著度2 水平，加钛提高了 z l l 0 8 合金的平面应变断裂韧度k i c ，两种加钛方式相互间没有大的区别。 微观分析表明，向z l l 0 8 合金中加入t j 元素，可以细化口( 一，) 相的尺寸， 使一次枝晶变短，二次枝晶间距减小：同时增强了合金中s r 的变质效果，使共 晶硅颗粒分布更加均匀，平均直径变小且圆形度提高；并改善f e 相存在形态， 从而提高了z l l 0 8 合金抗疲劳裂纹扩展能力和断裂韧性。 关键词： z l l 0 8 合金；电解低钛铝基合金；显著性检验；平面应变断裂韧度 疲劳裂纹扩展速率 i l 翌型! ! 旦! ! ! ! 羔! 里! ! ! ! 壁苎! ! ! ! ! 兰圣旦 一垒堡! ! ! 生 i n v e s t i g a t i o no ff a t i g u ep r o p e r t i e sa n d f r a c t u r et b u g h n e s s o na o yz l l 0 8m a d ef r o me l e c t r o l y t i cl o wc o n t e n t t i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t a 1 l o yz l l 0 8i su s e df o rp i s t o nm a t e r i a l sw i d e l y ；“i sn o tn e e d e dt oc o n t a i n t i t a n j u mf o rz l l0 8a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a l l d a r dn o wi no r d e rt os t u d yt h e e f r e c t so fe l e m e n tt “a n j u ma n dd i f r e r e n tt “a n j ma l l o y i n gm e 协o d so nt h ef 乱i g u e p r o p e r t i e sa i l df r a c t u r et o u g h n e s so fa l l o yz l l 0 8s y s t e m a t i c a l l y ，t h ee l e c t r 0 1 y t i cl o w t i t a i l i u ma l l o y i n gz l l 0 8 ( r e f e da sz l l 0 8 d ) a f l dm el o wt i t a l l i 吣a 1 1 0 y i n gz l l 0 8 b ym e l t i n g ( r e f e ra sz l l 0 8 r ) a r em a d ef r o me l e c t m l ”i cl o w - t i t a n i u ma l u m i n u mb a s e a l l o ya 1 1 da 卜t im a s t e ra 1 1 0 yr e s p e c t i v e l y ，w h i c ha r eu n d e r g o n e t h es a m et e s t c o n d i t i o n s t b g e t h e rw i t ht h ea 1 1 0 yz l l 0 8c o n t a i n i n gn ot i t a “u m ，m e s et h r e ek i n d s o f a 1 1 0 yz l l 0 8s p e c i m e n s a r et e s t c df o rc o m p a r i s o no nt h em t s 8 l om a t e r i a lt e s t s y s t e m p a r 锄e t e r so f t h ef a t i g u ec r a c k 掣o w t hr a t ea 1 1 dm et i l r e s h o l d k t ha r em e a s u r e d i n 血ef 敏i g u ec r a c k 伊o w t l lt e s t i ti sc o n v i n c e dt l l a te v e r ys p e c i m e no f 协es a m eg m u p s h o u l dc o n t r i b u t ee q u a l l yt oi t sd a d n 一kc l l l - v e an e wd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d ， n 砌e da st h er c p r e s e n t a t i v ep o i m ss i m u l a t i n gm e t h o df o rg m u pd a t ao fd i 虢r e m s p e c i m e n s ，i sp m p o s e df o rg e m n gt h es i n g l eg r o u pp a r 锄e t e r sca 1 1 dmo fp a r i s f b m u l a t h et e s tr e s u l t ss h o wm a tt h em r e s h o l d k 山o f a l l o yz l l 0 8i si n c r e a s e di nt h e t 、v 0t i t a i l i u i l la l l o y m gm e t l l o d s ，a n dt h et h r e s h o l d k t ho fz l l0 8 di sh i g h e r t h a nt h a t o f z l l 0 8 r t h ee 在b c t so f m et w ot i t a n i u ma 儿o y i n gm e t l l o d so nf a t i g u ec r a c kg r o w 出 m t ea r ed i 饪b r e n ti nd i 丘b r e n tt e s tp r o c e d u r e n e a rt h et 1 1 r e s h o l d ，f 乱i g u ec r a c kg r o w m r a t e so ft w oa l l o y sc o n t a i n i n gt i t a n i ma r cl o w e rt h a i l 恤a to fz l l 0 8a 1 1 0 ya p p a r e n t l y a n dn l er a t eo fa l l o yz l l 0 8 di s 吐1 el e a s t 1 1 1 ev a r i a t i o nt r c n do ff a t i g u ec r a c kg r o w h r a t e so ft l l r e ea l l o y si np 撕sz o n ei ss i m i l a rt ot h a ti nt h i 。e s h 0 1 dz o n e ，b u ti sn o ta s o b v i o u sa sn e a rt h r e s h o l dz o n e t h ep l a n e - s 廿a i nf r a c t u r et o u g l l n e s sk i co ft h r e ea l l o y sa r em e a s u r e di nf r a c t u r e t o u g h n e s st e s t ，a n dm e d a t aa r ea 1 1 a l y z e db yt h cs t a t i s t i c a ls i g n m c a l l c et e s t t h er e s u l c s i t i m a s t e rd e 口e e 7 sd i s s e r t a t i o no f z z u a b s t r a c t s h o wt h a tt i t a n i u mc a ni m p r o v et 1 1 e p l a n e s t r a i nf r a c t u r et o u 曲n e s sk i co fa 1 1 0 y z l l 0 8a ts i 9 1 1 i 矗c a n c el e v c lo f2 ，a 1 1 dt b ed j 虢r e n c eo fk i cb e 柳e e nz l l 0 8 da n d z l l 0 8 ri sn o ts oo b v i o u s t h em i c r o s t r u c t u r ea i l a l y s e sr e v e a lt h a tt i 伽l i i i i l li na l l o yz l 10 8c a nr e f i n eg r a i n s o f 口( 4 d ，d e c r e a s e l ep r i m a r yd e n d r i t el e n g t ha n dt h es e c o n dd e n d r i t es p a c e ，a n d s t r e n g m e nt h ee 疗b c t so fs rm o d i f i c a t i o n ，w h i c hm e a n si n c r e a s i n ge v e n n e s sa n d r o u n d n e s so ft h ee u t e c t i cs j l i c o np a n i c l e s ，d e c r e a s i n gt h e i r a v e r a g ed i a m e t e r ，a i l d i m p m v i n ge x i s t i n gf b 肌o ff e ，t h u si n c r e a s i n gi t sf r a c t u r et o u g l l l l e s sa n di t sr e s i s t a n c e t of i t i g u ec r a c kg r o w c h k e y w o r d s ：a l l o yz l l 0 8 ；e l e c 廿0 1 ”i cl o w t i t a n i u ma l 啪i n u i l lb a s ea l l o y ； s i 弘i f i c a n c et e s t ；p l a n e - s 廿a i n 疳a c t u r e t o u g l l l l e s s ；f a t i g u ec r a c k g r o w i hr a t e 郑州大学硕士论文 郑重声明 郑重声明 y9 6 3 l 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论 文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则， 本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声 明。 学位论文作者：刮友才 2 0 0 6 年5 月2 0 日 郑州大学硕士论文 第一章绪论 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，是各类铸造铝合会中应 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 l 0 8 具有良好的高温、耐磨、 耐蚀、尺寸稳定性能，常作为一种很好的活塞材料在国内应用于汽车以及中低 档的农用机械，如柴油机、汽油机【2 j 。 近年来人们对z l l 0 8 合金的性能做过很多研究p ”，提出了多种改善其性能 的方法和途径，其中在z l l 0 8 合金中加钛能明显细化其晶粒，提高合金的强度、 耐磨性及热稳定性【8 】，但有关在z l l 0 8 中添加钛对该合金的疲劳与断裂性能的影 响的研究还很少，而疲劳与断裂性能是选用活塞材料时需要考虑的重要力学参量 之一。本课题主要就z l l 0 8 合会的疲劳与断裂性能以及加钛和不同的加钛方式 ( 电解加钛和熔配加钛) 对其疲劳与断裂性能的影响进行研究。为此，本章首先 就疲劳与断裂试验的研究内容、活塞合金的疲劳与断裂研究现状、z l l 0 8 合金的 研究现状和电解加钛等问题做一简述。 1 1 金属材料的疲劳与断裂性能 1 1 1 疲劳与断裂的基本概念 1 疲劳 日内瓦国际标准化组织( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告“金属疲劳试验的一般 原理”中给疲劳下了一个描述性的定义：金属材料在应力或应变的反复作用下所 发生的性能变化叫做疲劳，一般情况下特指那些导致开裂或破坏的性能变化。疲 劳根据不同的标准可以分为以下几类： 郑州火学硕士论文 第一章绪论 ( 1 ) 按应力状态可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 ( 2 ) 按环境可分为：腐蚀疲劳、热疲劳、微动疲劳、滑动接触疲劳和滚动接触 疲劳等。 ( 3 ) 按循环周期可分为：高周疲劳、低周疲劳唧。 ( 4 ) 按破坏原因可分为：机械疲劳、腐蚀疲劳、蠕变一疲劳、热机械疲劳( 即热 疲劳与机械疲劳的组合) 等。 2 断裂 断裂是固体材料在机械力、热、介质、电等单独作用或联合作用下，使材料 或构件本身遭到破坏，从而发生局部开裂或整体分裂的现象，它是工程材料失效 的三种主要形式( 断裂、磨损和腐蚀) 之一【】。断裂的分类也有多种方法： ( 1 ) 按断裂前宏观变形量的相对大小，可分为脆性断裂和韧性断裂。 ( 2 ) 按断裂机理，可分为解理断裂和剪切断裂。 ( 3 ) 按裂纹扩展路径，可分为穿晶断裂和沿晶断裂。 ( 4 ) 按断裂的环境和应力状态，可分为短时断裂与长时断裂、冲击断裂、疲劳 断裂、延滞断裂、应力腐蚀断裂和蠕变断裂等。 3 疲劳与断裂的关系 金属工程构件的疲劳损伤过程，首先是微观组织和结构在外场应力的作用下 发生变化，形成永久损伤的核心。损伤由此核心的不断发展产生微观裂纹，然后 微观裂纹逐渐长大、合并，汇总形成宏观的主导裂纹。主导裂纹经过一个稳定扩 展阶段后失稳扩展直至断裂。该过程可划分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和最 终失稳断裂三个阶段 1 2 】。疲劳与断裂既有联系又有区别，对于发生疲劳后的断裂， 断裂是疲劳发生的结果，而疲劳是产生断裂的原因，所以疲劳常常伴随有断裂。 另外，疲劳的载荷一定是变化的，而断裂的载荷可变也可不变。对疲劳与断裂的 长期研究，人们发展了较完善的疲劳学与断裂力学，其中断裂力学是研究疲劳的 基础。 1 1 2 疲劳与断裂性能在金属材料研究中的重要性 疲劳与断裂一直是机械零件和工程构件破坏的最主要的形式。在航空航天、 造船、化工机械、交通运输、工程机械等领域中，约有5 0 9 0 以上的结构强 度破坏是由疲劳破坏造成的，据美国1 9 8 2 年的统计，因疲劳与断裂引起的事故 2 郑州大学硕十论文第一章绪论 在机械结构中的失效甚至占到总数的9 5 以上1 4 】。许多机械零部件，如曲轴、 连杆、齿轮、压力容器、海洋平台、飞机涡轮发动机、汽轮机叶片和焊接结构等， 它们主要以疲劳失效的方式发生破坏。 早在1 9 世纪早期，疲劳与断裂现象就引起了人们的注意，许多科学家和工 程师首先对金属材料的疲劳与断裂性能做了开拓性的研究。但是，随着大型机械 和建筑的增多以及早期人们对疲劳行为认识的局限性，发生疲劳破坏事故的频率 也在逐渐增加。特别是在航空航天事业发展的初期，发生了系列惨重的空难事 件。老牌的英国德哈维兰飞机公司( 现在的英国宇航公司) 由于设计的彗星号客 机客舱结构的疲劳破坏导致了2 0 世纪5 0 年代几起飞机失事而元气大伤，也沉重 打击了英国在民用喷气飞机工业中所起的杰出作用。近几十年来，由于疲劳与断 裂而导致的灾难性事故频繁发生。特别是对于在各种机械中占有重要地位的活塞 来说，由于工作环境的原因，疲劳与断裂成为其最常见的失效破坏方式之一，它 所造成的后果会更严重，特别是脆性断裂，在发生前往往无明显预兆，破坏非常 突然，以致造成重大的经济损失，甚至灾难” 18 1 。沉重的教训使得人们开始对 疲劳破坏有了更加深入的了解和认识，到2 0 世纪五六十年代，对疲劳断裂性能 的研究已经发展了很多相关的理论，断裂力学、金属的疲劳等学科逐渐发展和完 善起来，随着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 运输和核工业等对疲劳断裂性能要求很高的部门，越来越重视材料的疲劳断裂性 能方面的指标，构件的强度设计已经由原来主要依靠静强度指标和传统的安全寿 命设计发展到今天的损伤容限设计，这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20 1 。现在对疲劳行为的研究领域已经扩展到先进陶瓷、 高分子材料以及它们的复合材料。 1 1 3 疲劳与断裂试验的研究内容 在金属工程构件的疲劳损伤过程的失稳扩展阶段，构件已失去承载能力，很 快会导致破坏，因此，疲劳研究主要集中在疲劳裂纹萌生和裂纹扩展这两个阶段， 而断裂研究主要集中在疲劳损伤过程的第三阶段。 反映材料抗疲劳与断裂能力的参量有以下几个，试验中要根掘不同的试样材 料及试验条件测试相应的疲劳与断裂性能参量。 1 疲劳性能 3 塑塑查堂堕笙奎 兰二主丝鱼 ( 1 ) 疲劳寿命 疲劳寿命n 是指材料在循环加载下产生疲劳破坏的应力循环数或应变循环 数，它定量的描述材料对疲劳破坏的抵抗能力。一般疲劳总寿命包括裂纹萌生寿 命和裂纹扩展寿命两部分f 2 1 】。对疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命作用的不同权 重，在工程上主要有两种不同的疲劳设计方法，一种是总寿命法，该方法的设计 思想是构件中初始无裂纹，在此前提下主要进行高周疲劳试验和低周疲劳试验。 另一种为损伤容限法，该方法认为，实际构件总是存在初始的损伤裂纹，在此设 计思想的前提下，试验中主要测试疲劳裂纹扩展速率d “d n 和门槛值k 【h 。 ( 2 ) 疲劳裂纹扩展速率d “d n 在损伤容限法设计思想的前提下，为了度量构件中疲劳裂纹扩展的快慢，人 们引入了疲劳裂纹扩展速率d “d n 的概念：设应力循环n 次后，裂纹扩展增量 对应为a ( m m ) ，则把应力每循环一次裂纹的扩展量“n 定义为疲劳裂纹扩 展速率，在极限条件下，用微分d “d n 表示。目前常用的疲劳裂纹扩展速率公式 为p 撕s 公式d 删n = c ( k ) ，试中d 删n 为疲劳裂纹扩展速率，k 为应力强 度因子幅度，c 和m 为材料常数。 ( 3 ) 门槛值k t h 从p a r i s 公式d a d n = c ( k ) 中可以看出，当k 值小于某一界限值k t h 时， 裂纹基本上不扩展( d “d n 1 0 。7 1 0 8 m i l l c y c l e ) ，该界限值k 山称为裂纹扩展的 门槛值【2 2 ，对于金属材料，一般把对应于d “d n = 1 0 。7 m i l l c y c l e 的k 值定义为 门槛值k t h 。 2 断裂性能 ( 1 ) 平面应变断裂韧度k i c 对脆性材料，其塑性较差，试验中常测试其平面应变断裂韧度k l c 作为表征 该类材料线弹性断裂性能的参量。 平面应变断裂韧度是断裂力学中表征含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展能力的 韧性性能指标，即平面应变条件下，含裂纹构件在载荷作用下裂纹开始失稳扩展 时的临界应力强度因子。它是衡量材料断裂性能的重要指标，是材料本身的一种 性质。因此，在一定条件下，它与加载方式、试样类型和尺寸无关( 但与试验温 度和加载速率有关) ，可以通过试验测定矧。 4 郑州大学硕十论文 第+ 章绪论 ( 2 ) 延性材料断裂韧度j i c 对塑性较好延性材料，试验中常测试其j 积分的临界值j l c 作为表征该类材 料弹塑性断裂韧性的参量，材料可根据启裂韧度j i c 的测试标准( g b t 2 0 3 8 1 9 9 1 ) 【2 3 1 测试其断裂韧度。 ( 3 ) 能量释放率g i c 对于线弹性体，能量释放率g i c 也是表征其断裂性能的一个重要参量，其物 理意义为裂纹扩展单位面积时系统所释放的能量。 ( 4 ) 裂纹尖端张开位移c o d 当裂纹张开位移万达到材料的临界值一时，裂纹即发生失稳扩展，这就是弹 塑性断裂的c o d 准则，表示为占= ，对于塑性特别好的材料要测试其d 。值作 为表征材料线弹性断裂性能的参量。 1 2 活塞合金z l l 0 8 的研究 1 2 1 活塞材料的性能要求及分类 活塞是机械设备的重要组成部分，在工作中它是承受工作强度最大的零件之 一。因此，活塞工作条件对活塞材料提出了以下主要要求：具有高的机械强度 尤其是应具有较高的高温强度：具有小的热膨胀系数，以便使活塞和汽缸问在 各种工况下都能有合适的间隙，并减少机器运行的噪音；吸热性要差，导热性 要好；密度小，以减少活塞的质量及往复运动的惯性力：具有良好的减摩性 能与耐磨、耐蚀性能，以减少摩擦损失并延长使用寿命；容易加工，成本低【2 4 j 。 根据内燃机的缸径、速度及功率的大小，活塞材料可以分为：铸钢、铸铁、 铝合金、铸铁一铝合金组合式【2 ”。对于铝活塞材料，大致可分为四类； a 1 一c u n 卜m g 类，a 卜c u _ s i 类，a l s i 共晶合金类及a l s i 过共晶合金类。第 一类由于热膨胀系数大，密度大，铸造性能差，价格贵，已逐渐被淘汰；第二类 由于热膨胀系数大，体积不稳定，也己被淘汰。最近几年涌现出来了一些新的活 塞材料，目前广泛使用的是a l s i 共晶合金类和a l s i 过共晶合金。 5 郑卅i 大学硕士论文 第一章绪论 1 2 2 提高z l l 0 8 合金性能的途径 z l l 0 8 合金是一种共晶型a l s i 活塞台金，合金牌号为z a i s i l 2 c u 2 m 9 1 ，按 国家标准，其成分是：s i l l 1 3 ，c u1 o 2 ，o ，m go 4 1 o ，m no 3 o 9 ，余量为a l 。虽然z l l 0 8 合金具有优良的铸造性能和良好的机械加工性能， 但它作为一种活塞材料也存在一定的缺陷，即热强度较低而线胀系数较大，随着 人们对发动机功率要求的不断提高，常规牌号的z l l 0 8 合金性能已经难以满足 人们同益增长的要求。近年来，为提高z l l 0 8 合金的性能，充分发挥其潜力， 人们从影响z l l 0 8 合金性能的成分和制各工艺等几个方面做了大量的改进研究， 提出了多种方法，目前常见的有以下几种： 1 制各工艺的改进 材料制备工艺不仅是传统材料提升性能的重要措施，也是新材料转化为商品 的关键，况且它本身也已成为一门重要的现代科学。z l l 0 8 合金在熔炼过程中， 铝液易和水汽反应，且随着温度的升高，气体在铝液中的溶解度逐步增加，使活 塞合金中的气孔与缩孔增多，同时合金中的一些元素容易氧化，产生夹渣物。这 些因素都会影响z l l 0 8 合金的性能，降低其使用寿命。因此，长期以来人们对 z l l 0 8 合金的熔炼工艺、热处理工艺以及铸造工艺等方面进行了大量的研究和改 进。例如，选用高纯氮气或氩气除气以降低合金中气孔和缩孔的数量；加入除渣 剂以排除铝液里的夹渣物；采用激光熔凝技术处理z l l 0 8 合金可使合金组织明 显细化，硬度也显著提高，改善了夹渣物的摩擦磨损性能雎7 剖】。 2 变质剂的改进 a 1 s i 合金的变质处理作为提高合金性能的一个重要手段一直是国内外重视 的研究课题之，而对于共晶活塞合金z l l 0 8 来说，变质对于其性能的改善有 很大的帮助，因此，近年来人们对共晶活塞合金z l l 0 8 的变质剂的选用做了一 定的研究，对常用的几种变质剂进行了对比分析。虽然有很多a i s i 合金变质剂， 但各自都存在不足，如赤磷的燃点低( 2 4 0 ) ，运送不安全，且变质时反应剧烈， 产生大量的烟雾，严重地污染环境；磷盐加入量大，使用过程中严重地污染环境， 且产生大量的反应渣；铜一磷中间合金加入到合金中后易偏析，效果不稳定，而 且价格高 3 2 3 4 】；三元钠盐变质剂变质使用寿命短；稀土中间合金变质剂费用高， 易产生偏析等d 5 1 ；高锶含量的铝锶变质剂不易保存、不易吸收；综合来说，现在 6 郑州大学硕士论文 第一章绪论 z 1 1 0 8 合金常用的变质剂为混合稀土或低锶铝锶变质剂【排3 8 1 ，与前述几种变质剂 相比，混合稀土或锶变质具有如下优点：长效性和重熔性较好，不侵蚀炉衬、不 污染环境。 3 复合材料的研究 短纤维增强金属基复合材料由于具有优良的耐磨耐热性，较高的比强度、比 模量等优点，近年来发展很快。日本和欧美的一些发达国家在8 0 年代已将其在 工业上成功应用。我国对氧化铝短纤维增强铝合金复合材料的研究，也已有用于 活塞合金的报道，例如，由高纯硅酸铝纤维和z l l 0 8 制备而成的a 1 2 0 3 z l l 0 8 复合材料，该复合材料和z l l 0 8 合金相比，高温耐磨性和高温强度均有大幅度 提高，但由于原材料及制备成本高，推广受到很大的限制【4 0 胡】。 当前，国内外对混杂和超混杂增强聚合物基复合材料的研究己相当广泛，弓 此相比，混杂和超混杂增强金属基复合材料的研究则要滞后一些 4 “。与固态扩散 粘结法相比，液态铸造法制备金属基复合材料因其具有成型工艺简单、易于实现 批量生产、成本低廉而得到广泛的研究和应用【4 5 】。 4 合金成分的改进 除了对z l 】0 8 进行了上述的研究之外，人们着重围绕铸造铝合金成分、组 织和性能之间的相互关系和作用机理做了大量的研究工作，提出了多种方法，主 要有： ( 1 ) 在z l l 0 8 合金的基础上添加o 8 1 5 的镍，制备成国家标准牌号为 z l l 0 9 的铝合金m6 1 。和z l l 0 8 活塞合金相比，其性能有明显的提高，但该合金 含有贵重的镍，大大增加了成本，使其在广泛应用上受到价格的制约。 ( 2 ) 适当提高硅的含量。由于s i 能显著提高耐磨性，合令中的硅含量直接 影响到合金的使用性能，随着合会中s i 含量的提高，合金的力学性能、耐磨性、 尺寸稳定性、抗咬合性均有大幅度提高，但铸造性能变差，切削性能恶化。因此， 合理控制s i 含量，可使合金密度减小、熔点提高，特别是使合金的线膨胀系数 大大减小，极大地增强了活塞在工作温度下的尺寸稳定性，减小了由于a l 含量 高而产生体积不可逆膨胀、造成高温下的“咬缸”现象。目前国外的活塞合金已从 共晶型发展到过共晶型，国内目前大量使用的活塞合金仍是共晶型( z l l 0 8 和 z l l 0 9 ) 活塞合金，过共晶活塞合金还处于开发、研制和推广阶段。 ( 3 ) 加入适量的细化剂。按照现行的国家标准，z l l 0 8 成分中并不要求含钛， 7 郑州大学硕+ 论文 第一章绪论 但是允许含0 2 左右的钛杂质，而经过人们大量的分析研究表明，z l l 0 8 合金 中加入微量的细化剂可促进合金在凝固时大量形核，使固溶体的基体和第二相细 化，不仅能提高铝合金的强度、耐磨性，而且还可改善合金的塑性和韧性。 1 2 3 加钛z l l 0 8 合金的晶粒细化及其机理 1 加钛方式及晶粒细化 细晶强化不仅能提高合金的强度而且能同时改善合金的塑性和韧性。因此， 它成为提高铝合盒强韧化的最为有效的手段。在几十年研究微量t i 对晶粒细化 作用的基础上，人们认识到添加t i 细化剂的方法是目前最实用最有效的细化铝 合金的方法。 传统上，钛的加入方式主要有以下几种。 ( 1 ) 以盐形式加入：最初使用的细化剂是含钛或硼的盐类混合物k 2 t i f 6 和 k b f 4 ，它们在熔体中能与铝液反应生成a 1 3 t i 和t i b 2 而起到晶粒细化作用【46 1 。但 这种盐类细化剂的细化效果不稳定，t i 、b 元素的含量难以控制，从而使熔体处 理时操作困难，同时氟盐还具有很强的腐蚀作用，使设备寿命缩短，且氟盐反应 会放出大量有毒的氟化气体，污染严重。 ( 2 ) 以气态形式加入：将t i c l 4 和b c l 3 的混合气体通入铝熔体中，能反应生 成具有晶粒细化作用的a 1 3 t i 、t i b 2 等粒子，同时生成的c 1 2 还可以除去熔体中 的h 2 和固体非金属夹杂物【49 1 。但所用设备复杂，操作危险，细化元素的吸收率 很低，而且反应放出对人体有害的氯气。 ( 3 ) 以中间合金的方式加入：以上两种加钛、硼方式由于具有晶粒细化能力 差，污染环境等缺陷，已基本被淘汰，目前最常用的加钛方式为中问合金加钛、 硼方式。常用的中间合金有a 卜t i 、a 1 一t i b 、a i t i c 和a 卜r e 等，但中问合 金制各过程复杂，制备成本高，由于合金组织具有遗传性，中间合金质量的优劣 会直接影响它的细化效果，因此，要生产高质量的中间合金并非易事。采用中间 合金加钛，成本偏高，在一定程度上制约了我国大多数企业普遍采用高质量的中 间合金对铝及其合金进行细化处理。为了降低中间合金的制备成本，提高钛的稳 定细化能力，人们在不断探索和尝试新的细化剂添加方法。 2 电解低钛铝基合金 经过近年来人们对加钛方式的研究，已获得了一些较好的加钛方式，目前最 8 郑州大学硕士论文 第一章绪论 常用的方法是在合金中加入a 卜t i 或a 卜t i b 中间合金，另外就是利用电解加钛 来实现晶粒细化。电解加钛是在霍裕平院士的指导下，郑州大学材料物理实验室 创造性地提出在传统的原纯铝生产工艺电解槽中掺加少量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 ，电解生产含钛量为o 1 o 3 的低钛铝合金。用这种新型工艺 生产的合金，我们称为电解低钛铝基合金。 这种工艺不仅在电解过程中使得铝合会含有数量可以调控的钛元素，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 态以及电流效率影响不大，并且微量的钛在电流磁场的作用下不会在电解液中大 量沉淀而造成a 1 3 t i 固相的析出。电解法生产低钛铝合金容易控制t i 的成分，并 巨t i 的实回收率达到9 5 以上。通过电解加钛不仅可以更加有效地细化晶粒， 并且其抗细化衰退的能力比熔配加钛合金要强许多 4 8 。实验表明风5 “，电解加钛 较熔配a l - t i 或a l t i b 具有成本低、工艺简便、晶粒更细小、钛回收率高、成 分更均匀且易控制等优点。从理论上和工业试验方面，实验室对在工业上推广生 产这种合金的可行性做了大量的工作，证实这种工艺在工业上大规模推广是可行 的【52 1 。 3 钛的细化机理 钛能细化铝合金的晶粒组织，多年来人们提出了各种观点和理论试图束解释 晶粒细化的机理，其中主要理论有： ( 1 ) 包晶反应理论吲：浚理论是以a 1 t i 相图中的包晶反应来说明的。当钛 含量大于0 1 8 时，在降温的过程中会首先析出a 1 3 t i ，6 6 5 时a 1 3 t i 与铝液发 生包晶反应： l + a 1 3 t i 甜( 爿，) ( 1 - 1 ) 生成大量细小的口( 彳z ) 固溶体，作为液态铝的结晶核心而细化晶粒。对于铸造 a l s i 系合金，则是合金中的s i 与a 1 3 t i 颗粒作用形成的( a 1 1 - x ，s i 。) 3 t i 三元化合物 与铝液发生包晶反应： ( a 1 1 x ，s i 。) 3 t i + 一口( 爿f ) ( 1 2 ) 从而细化合金的晶粒。 ( 2 ) 生长抑制理论酬：该理论认为，口( 爿，) 晶粒的生长速度与晶粒生长抑制 9 郑州大学硕十论文 第一章绪论 因子g r f = m ( k 一1 ) 成反比，式中k = c s c l 为分配系数，c s 和c l 分别是液、 固界面温度为t 时固相和液相中的溶质成分。g r f 值越大，晶粒生长速度越慢， 从而为熔体中结晶异质核心的形核提供了时间，随着大量晶核的形成，便细化了 晶粒。 ( 3 1 碳一硼化物粒子理论【5 5 】： 该理论认为，当加入a 卜t i 中间合金，会与熔 体中的微量元素c 反应生成t i c ，而加入a 卜t 卜b 则生成t i b 2 质点，7 r i c 和t i b 2 质点均可以作为异质形核核心而促使形核来细化晶粒。 另外还有口( 4 ，) 晶体增殖理论、原子结构理论、相图一粒子双重形核理论、 亚稳相理论等等。尽管这些理论说法不一，但却都肯定了一个基本结论，即钛可 以作为晶粒细化剂，细化铝及其合金的晶粒。 l _ 2 4 电解加钛z l l 0 8 合金的试验研究 人们虽然早就探求通过加钛来改进合金z l l 0 8 的性能闭，但以往文献大多 偏重于对耐高温、耐磨损和体积稳定性等的研讨，对其耐疲劳冲击的断裂韧性却 缺乏研究【5 7 】。而疲劳断裂是活塞最危险的失效方式之一，疲劳性能和断裂韧性是 衡量材料性能的两个重要指标5 晰”，是选择材料必不可少的基本参数。另外疲 劳性能和断裂韧性也受晶粒大小和硅颗粒形貌的影响，既然加钛后细化了z l l 0 8 合金晶粒，改善了硅颗粒形貌，那么加钛也就会对z l l 0 8 合金的疲劳性能和断 裂韧性有一定的影响。 z l l 0 8 合金的疲劳性能与断裂韧性参数主要有高周疲劳寿命、疲劳裂纹扩展 速率、门槛值以及平面应变断裂韧度，因为高周疲劳寿命的主要部分是疲劳裂纹 萌生寿命，测试高周疲劳寿命的前提条件就是假定材料内部及表面都没有明显的 缺陷，这样就对试样的制各提出了更高的要求，实际很难制备出这样的试样。因 此，本课题测试z l l 0 8 合金的疲劳裂纹扩展速率d 删n 和门槛值k 。h 来研究其 疲劳性能；另外，综合考虑到z l l 0 8 合金的塑性稍差、强度较高的特点，其断 裂性能要测试的参数是平面应变断裂韧度k t c 。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 1 0 郑卅l 大学硕+ 论文第一章绪论 基于以上考虑，本课题拟对三组试验合金z l l 0 8 、z l l 0 8 d 和z l l 0 8 r 做如下几个方面的工作进行研究： 1 测试三组合金的常温拉伸性能和平面应变断裂韧性k i c ，用统计分析方 法对试验数据进行显著性检验，并从微观组织和断口形貌上分析所测量的试验结 果，研究加钛和不同的加钛方式对z l l 0 8 合金常温拉伸性能和平面应变断裂韧 度k i c 的影响及其微观机理。 2 测试三组合金的疲劳裂纹扩展速率d “d n 和门槛值k 。h ，利用成组试验 数据的代表点方法拟合出各合金的p a r i s 公式参数c 和m ，对比分析三组合会疲 劳裂纹扩展速率d “d n 在裂纹扩展不同阶段的变化规律，研究加钛和不同的加钛 方式对z l l 0 8 合金疲劳性能的影响及其微观机理。 1 3 2 研究的技术路线 基于本课题的研究内容和方法，可得出本课题的技术路线如下： 电解低钛错基合金制备的z l l 0 8 合金疲劳性能与断裂韧性研究 图1 1 课题的技术路线 f i g1 1t e c 1 1 1 0 - s c h e m eo 邱r o j e c t 郑州大学硕士论文 第一章绪论 1 4 课题研究的目的和意义 1 电解低钛铝基合金是郑州大学材料物理教育部重点实验室提出的一种新 型铝基合金。为了在工业上推广应用这种合金，实验室无论理论上还是工业试验 方面已做了大量工作，取得了许多重要的成果。但有关电解加钛对铝合金的疲劳 与断裂性能的影响问题需要迸一步研究，因此本课题的研究对电解低钛铝基合金 的推广应用有一定的现实意义。 2 疲劳性能与断裂韧性是衡量活塞合金z l l 0 8 性能的两个重要指标，而目 前有关加钛与加钛方式对z l l 0 8 合金的疲劳性能与断裂韧性影响的研究还很少。 因此本课题的研究对正确评估用z l l 0 8 合金制各活塞工作的可靠性，探讨提高 z l l 0 8 合金疲劳与断裂性能的途径具有一定的参考价值。 3 基于同组合金各试样对该合金的d “( 1 n 一k 曲线贡献应相等，本课题提 出了成组试验数据代表点拟合的新方法，用不同试样的试验数据代表点拟合成该 合金p 撕s 公式的单一组参数c 和m ，这有利于提高拟合精度从而得到更加科学 的试验结论，是一种有效的数据处理方法。 1 2 郑州大学硕士论文 第一二章试样的制备与研究方法 第二章试样的制备与研究方法 2 1 引言 疲劳与断裂性能的测量结果受到多方面因素的影响，而本课题所研究三组合 金的主要差别就是合金的成分不同z l l 0 8 d 和z l l 0 8 r 合金分别通过电解的 方式和熔配的方式加了0 2 左右的钛，为了专注考察加钛和加钛方式对z l l 0 8 合 金疲劳与断裂性能的影响，本课题对试样的制备提出了更高的要求。另外，为了 得出更加科学严谨的试验结论，本课题也要对试验中测试或测量的试验数掘用数 理统计方法进行分析。 此外，在三种合金的疲劳性能和断裂韧性的测试中，需知道一些力学参数， 譬如弹性模量e 、屈服强度盯。、抗拉强度c r b 等力学指标才能进行计算，因此， 在制备s e ( b ) 试样时也要制备三组合金的拉伸试样。 考虑上述因素，本章首先介绍试样的制备，即分别熔配三组拉伸试样和s e ( b ) 试样，测试三组合金的成分并拍摄宏观组织和微观组织照片，然后再简述本课题 的研究方法。 2 2 试样的制备 2 2 1 合金制备原材料 试验合金所用的主要原料是登封铝厂生产的电解低钛铝基合金，原料的化学 成分见表2 1 ，另外还有a 卜5 3 t i 中间合金、工业纯镁、a 1 4 9 c u 中问合金、 a 1 1 0 m n 中间合金、a 卜1 0 s r 中间合金、9 5 纯度的结晶硅。本课题熔配三 组z l l 0 8 合金试样，即不含钛z l l 0 8 、电解加钛z l l 0 8 ( 记为z l l 0 8 d ) 和熔配加 钛z l l 0 8 ( 记为z l l 0 8 r ) ，目标化学成分如表2 2 所示。也就是z l l 0 8 d 和z l l 0 8 r 合金相比z l l 0 8 合金多了0 2 的钛，其它成分完全一样。 表2 1电解低钛铝基合金的化学成分( w t ) t 曲2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f e l e c t r o l y z i n ga l u m i n u m t i t a i l i u ma j l o y ( w t ) 里!丛g生! i! i型i丛!垒l o 0 20 0 0 8o0 8 7o 3 00 0 4 5 o ，0 0 2 0 0 0 3 余鼙 郑州大学硕十论文 第二章试样的制各与研究方法 2 2 2 三种试验合金的制各 活塞是内燃机的心脏，对其质量要求较高，为保证其合金化学成分准确均匀， 本课题所作试验采用先把9 5 纯度的结晶硅分别与纯铝和电解低钛铝基合金 a l o3 t i 熔制成中间合金a l 1 5 s i 和a 卜1 5 s 卜o2 2 5 t i 后再熔制测试样品 的熔炼工艺方法。第一步制备过程如下：4 0 0 时将纯铝( 或a l 0 3t i ) 放入功 率为7 5 k w 的电阻炉中，加热升温至7 8 0 时，将应加结晶硅量的一半放入炉 中，待熔化完后加入另一半，等全熔后硅和铝( 或a 卜o 3t i ) 形成合金，断电开 炉盖降温至7 4 0 ，通入氩气除气十分钟，然后浇入模具中。第二步，按表2 2 目标