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本实验研究在接近材料实际工况的试验条件下,不考虑外加机械应力的作用,应用自约束型热疲劳实验机近似模拟了发动机的部分温度场,以多元Al-Si合金为研究对象,借助光学显微镜、扫描电镜等仪器研究了由于外界温度涨落在材料内部产生的热应力而造成的裂纹萌生及其扩展机制。通过详尽的跟踪观察、记录、系统测定在热疲劳过程中,不同循环次数下不同处理工艺合金的裂纹萌生位置及扩展路径。特别研究了相的位向、氧化腐蚀孔洞和疏松缺陷等对裂纹萌生与扩展路径的影响,热循环过程中材料显微硬度的变化,以及不同温度幅对热疲劳裂纹生长的影响。并且,利用Ansys软件对试验中20<->350℃温度场进行模拟,分析试样的热应力分布情况,近似计算了20<->400℃温度场下硅相与铝基间的显微应力。
基于以上对于不同处理工艺及温度幅下的热疲劳裂纹生长研究,分析了热裂纹的萌生与扩展机理。在本实验研究条件下,得出以下研究结果:
1、在20<->300℃,20<->350℃,20<->400℃三种温度环境下,T6处理的此多元Al-Si合金的热疲劳抗性均优于铸淬+时效态及铸态。而循环温度为20<->350℃时,T6处理的试样热疲劳抗性明显好于铸态淬火+时效与铸态试样。在下限温度Tmin不变的情况下,随着上限温度Tmax的提高,此多元Al-Si合金的3种状态合金的寿命都缩短。下限温度Tmin为20℃时,上限温度Tmax在300～350℃的区间内,随Tmax提高,合金对温度敏感性要高于350～400℃的区间。
2、颗粒的位向会影响到裂纹的扩展路径。前端裂纹扩展路径与颗粒长轴方向形成夹角近似大于60°时,进行“穿墙”扩展;若与短轴方向形成夹角近似大于60°时,裂纹通常会沿着颗粒的边缘继续向前扩展,即“绕墙"扩展。
3、裂尖曲折度δ反映了裂纹扩展的走向,依据裂纹扩展耗能最小原理,实际上其体现了试样基体强度性能的均匀性。从裂尖曲折度来看,T6试样热疲劳抗性优于铸态试样优于铸淬+时效试样。裂尖平整度k反映了基体的塑性好坏,即抵抗变形能力的大小。K越大,表明材料越易抵抗热应力引起的热应变。从裂尖平整度来看,T6试样热疲劳抗性优于铸淬+时效试样优于铸态试样。
4、热循环过程中,三种处理工艺的试样均会产生氧化腐蚀孔洞,但T6试样上孔洞明显少于其他两种试样。而孔洞ρ较大时可延缓裂纹的萌生。晶界疏松缺陷易引发裂纹的萌生和扩展;晶内针孔疏松一般不会引发裂纹的萌生,但若此针孔疏松存在于裂纹源附近,却会导致晶内裂纹的出现。
5、三种处理工艺的试样表面显微硬度随着热循环次数的增加总体呈现下降趋势。而T6、铸态淬火+时效试样不仅有循环软化,在裂纹萌生前一段周次还发生了循环硬化。
6、疲劳裂纹的萌生机理是在循环载荷作用下,经过一定的循环数后,表面产生明显的永久滑移带,并且各永久滑移带之间的相对滑移,并不总是沿同一个方向的,而会形成凹凸从而引起严重的应力集中,以致滑移带间产生初始裂纹。疲劳裂纹的扩展机理是裂尖钝化一尖锐化过程引起的裂纹扩展和裂尖前沿空洞连体过程引起的裂纹扩展过程形成的复合机理。