Cu、Mg含量对ZL702A合金拉压疲劳行为的影响开题报告

1、开题报告题目：Cu、Mg含量对ZL702A合金拉压疲劳行为的影响1 .毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）L1题目背景铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、强度高、塑性好、耐腐蚀、易成形 和表面处理等优点，广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业皿：。随着飞机向 大型、高速、多载方向发展，飞行寿命和飞行安全及可靠性要求航空结构材料除需满足 强度高和重量轻外，还需要有高的韧性、抗腐蚀性、经济性和损伤容限。因而在飞机上 被广泛使用，占飞机重量的60%到80%左右:由于产品设计越来越考虑到轻量化,铝合金铸件的产量在不断增长，目前在各种承 力构件的发展方面，为了提高其轻

2、量化和抗压性能，用具有更高抗压性能的铸造铝合金 代替原有的铸造铝硅合金各种承力构件等关键铸件是发展的必然趋势。而且，在现代汽 车和航空工业领域，多种承力构件所用的铸造铝合金的性能已经不能满足其需求，主要 表现在高温强度低、韧性低:斗九因此，开发一种综合性能（包括强度、韧性、耐热性等） 更好的抗压铸造铝合金，以满足汽车、航空工业等众多领域对材料的更高要求是十分必 要的。L2研究意义上世纪90年代以来,西方发达国家开始大力发展第二代超音速客机,与此同时,具有 突出的隐身性能、超音速巡航能力、超常规机动性和敏捷性等特点的第四代战斗机也相 继进入紧锣密鼓地研制阶段。对于这类高超音速飞机而言,它们的高巡

3、航速度将使机身 蒙皮的长期工作温度提高到150-350之间。目前利用传统铸锭冶金法生产并获得广 泛应用的2x24和2618等耐热招合金的长期使用温度均在150以下，不能满足超音速飞 机对材料的耐热性能要求；钛合金和碳纤维等复合材料虽然可以在较高温度下长期服 役,但是它们生产工艺较复杂，成本过高,不能很好地满足经济可承受性要求。Al-Si系合金不仅强度高、成型性能优良而且其耐热性能好,广泛用于航空航天结构 材料。但是,该系合金的长期工作温度在150c左右，尚难以满足超音速飞机对材料的耐 热性能要求。因此,充分挖掘Al-Si系合金的潜能,进一步提高该系合金的工作温度迫在 眉睫。研究表明，在Al-S

4、i系合金中添加适量的Cu或者Mg,能促使合金析出。相。在 250° C时仍具有较强的抗粗化长大能力。Al-Si-Cu-Mg合金中。相的析出，将有利于合 金室温和高温性能的提高。8 L3国内外相关研究现状材料在循环应力或循环应变作用下，某点或某些点逐渐产生了永久的结构变化，导 致在一定的循环数以后形成裂纹或发生断裂，造成疲劳破坏。疲劳破坏是机械结构最常 见的失效形式之一，带来严重的经济损失和工程事故，据统计19世纪30-40年代，英 国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为0.4 a ）多次发生破坏，1954年1月，英国慧星 （Comet）号喷气客机坠入地中海（机身舱门拐角处开裂），二次大战期

5、间，400余艘全焊 接舰船断裂，1967年12月15 B,美国西弗吉尼亚的Point Pleasant桥倒塌，46人死亡 和严重的紧急损失。l,4J6'19世纪50年代至60年代，德国人August Wohler作了很多循环应力作用下的疲劳 试验，提出了 S-N曲线和疲劳极限的概念。20世纪初人们用光学显微镜研究了疲劳机 理，发现在金属的局部地方出现了导致微观裂纹形成的滑移线和滑移带，Gough提出了 弯曲和扭转的联合作用(多轴疲劳)。1945年Miner提出了 Palmgen于1924年提出的线 性累计疲劳损伤判据：Miner-Palmgen定律。70年代以来，由于汽车工业和航空工业

6、的 大发展，以及与此同时发生的各种疲劳事故，使得疲劳研究乂进入了一个崭新的发展时 期，建立起许多大型实验室，并在这些大实验室进行了大量的成本昂贵的疲劳试验。物 理学家和冶金学家使用了电子显微镜等现代分析测试手段，借助位错理论，力图从微观 方面解释疲劳的基本现象，研究疲劳失效的机制：工程技术人员借助高速计算机和断裂 力学的发展，从宏观方面采用简单的试验数据和半经验的设计理论去设计零件和系统。目前，国内外对疲劳的研究极为重视，主要的研究方向是金属疲劳的一般规律、疲 劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素、疲劳短裂纹、变幅疲劳等，并取得了 很大的进展。2 .本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案

7、、研究方法或措施2. 1研究的主要内容(1)用单点法测定Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金砂型试样在107时的疲劳极限。 (2)改变Cu、Mg的含量对疲劳极限的影响。(3)进行宏观断口分析。2. 2拟采用的研究方案、研究方法或措施2. 2.1研究方案a.研究材料本试验原料分别为纯铝、结晶硅、纯镁及Ab50Cu,晶粒细化剂采用Al-10Ti,变 质处理选用富铺混合稀土 Re,精炼剂用工业CSkoAl-Si二元合金属于简单共晶型合金, 共晶点为12.6%Si。随着合金中Si量的增加，合金的流动性、气密性提高而热烈的倾向 减小，并在共晶成分附近表现出优异的综合铸造性能。

8、Mg和Cu是铸造AbSi合金的重 要合金元素，加入其他微量元素Ti、Re等，在保证较高强度的基础上，尽可能的提高 合金的韧性。此处选用最常用的铝合金ZL702A,具体成分如下表：表2. 1 ZL702A合金的化学成分 琳瑞合金元素 AlSiCuMgTiMn含量 余量6-81-2.50.25-0.50. 1-0.20. 1-0.25b.试验设备熔炼设备：SG2-5-12用烟电阻炉固溶设备：GY00-31井式电阻炉时效设备：101-0型电热鼓风干燥箱疲劳测试设备：PLD-100型液压伺服疲劳试验机拉伸试验设备：SUNS-CMT电子万能材料试验机SEM分析设备：Quanta FEG400型场发射扫描

9、电镜2. 2. 2研究方法a.试样的形状及尺寸疲劳试样的制备参照GB3075-82金属轴向疲劳试验方法，在浇注成的8标准 拉伸试棒上截取中间部位，加工为标准拉压疲劳试样。拉压疲劳试样几何尺寸如图2.1图2.1室温拉伸试样尺寸b.合金熔炼工艺流程在熔炼过程中加入精炼剂是为了除去原材料中存在的杂质及气体，加入细化剂 0.2%Ti可以细化合金中共晶硅以增强合金的力学性能，加入变质剂0.4%RE以改变合金 中Si的形貌，使硅的形貌变得圆滑，从而不损伤基体，实质上就提高了合金的力学性 能。熔化铝| I （ 760c加硅I > 750加入铝铜合金：730加入镁760c加入晶粒细化剂、Re变质剂静置

10、1020min730加入Al-4Ti合金静置5lOmin < 760c加入0.4%的C2C16除气精炼710-730 浇注图2.2合金熔炼工艺流程图C.热处理工艺采用T6热处理工艺，固溶处理：采用分级加热，510±5,保温4h； 520±5, 保温12h, 60100水冷。时效处理：165±5,保温6h,空冷。固溶处理时间和温度对合金的力学性能影响很大，目前对Al-Si-Cu-Mg合金的固溶 处理温度，国内一般选择在520C左右，也有490C520C分级固溶的方式，国外一般 选择在500左右。固溶温度过高会使富铜相熔化，温度过低使得合金中第二相的溶解 度下降

11、，固溶时间过长。固溶时间过长并不能使硅相颗粒的圆整度进一步得到改善，反 而可能使硅相过分粗大。而固溶温度过低，固溶时间过短则固溶不充分。因此固溶处理 阶段，选择合适的温度和时间是十分重要的。固溶温度是固溶处理的关键因素，AbCu溶解缓慢，保温时间不够时不能使其充分 固溶于基体，达不到强化效果。为了加速Al£u的溶解而提高固溶温度时，则容易造成 严重过烧。而Mg°Si只有在较高温度下，才能迅速溶解。综合考虑各因素，李德成等对 ZL107A合金的固溶处理采用分级加热制度。在固溶处理时，很小的温度间隔也会导致 材料性能出现显著差异，其根本原因是由于共晶硅相粒状化过程中较大的表面激

12、活能驱 动所致，所以在固溶处理时准确控温是十分必要的。时效处理：指合金工件经固溶处理、冷塑性变形或铸造锻造后，在较高的温 度放置或室温保持其性能，形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工 件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处 理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然 时效处理。第三种方式是振动时效从80年代初起逐步进入实用阶段，振动时效处 理则在不加热也不像自然时效那样费时的情况下，用给工作施加一定频率的振动 使其内应力得以释放，从而达到时效的目的。时效处理的目的，消除工件的内应 力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。d.疲劳

13、极限的测定本实验采用了单点法测定Al-7Si-2.5Cu-O.3Mg-O.3Mn-O.2Zn合金砂型试样在 O时 的疲劳极限。文献表明：疲劳极限与静强度之间具有一定关系，金属材料的抗拉强度越 大，其疲劳极限也越大；计算铝合金对称循环下的疲劳极限经验公式为：er .ip=ab/6+7.5MPa(2.2.2-1)表2.2单点法实验参数与结果表直径中/mm频率/Hz最大载荷/kN最大应力/MPa周次/cycle5301.23062.6555301.93460.8305301.57859.005对表2.2进行数据处理后可以得出Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金的疲劳寿 命

14、曲线(S-N曲线)。e. Cux Mg含量对ZL205A合金的影响本实验通过改变Cu、Mg含量对Al-7Si-Cu-Mg-O.3Mn-O.2Zn合金的的抗拉强度和延 伸率的测定，从而对疲劳极限的变化进行了研究。实验中分别取Cu含量为2.5%, Mg 含量为 0.1%、0.3%和 0.5%和 Mg 含量为 0.3%, Cu 含量为 1.5%、2.5%、3.5%,采用 0.4%RE 进行变质处理，0.2%Ti进行晶粒细化。表3.3和3.4中的5MMpa是由公式3.1计算得 出，即为合金的疲劳极限。表 2.3AL7Si-2.5Cu-xMg-0.3Mn-0.2Zn 合金力学性能Mg 含量/%Gb/MP

15、aSp/MPa6/%表 24AL7Si-2.5Cu-xMg-0.3Mn-0.2Zn 合金力学性能Cu 含量/%0bzMPao.ip/MPa6/%L52.53.5f.宏观断口分析将循环拉压的试样断口在KYKY. 1000B型扫描电镜（SEM）下，进行对比分析得出相 关数据。3 .本课题研究的重点及难点，前期已开展工作a.重点难点本课题研究的重点是Cu、Mg含量对ZL702A合金拉压疲劳行为的影响，因此必须认 真制定出不同的Cu、Mg含量对比方案。通过实验对比及数据分析来获得Cu、Mg含量对 ZL702A合金拉压疲劳行为的具体影响，总结分析出疲劳断口对疲劳行为的影响。本课题研究的难点是合金熔炼的工

16、艺流程掌握及对试样的统一热处理过程。主要的 影响因素有：a.精炼剂、细化剂、变质剂的使用；b.固溶处理、时效处理温度的掌握等。 在试样熔炼和热处理过程中需要严格控制这些因素，尽量减少对试样的形貌和性能的影 响。b.前期已开展工作前期的工作主要了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。4 .完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）20132014学年第一学期：第1418周：做前期准备，查阅相关资料，对课题有一定的了解，完成开题报告。第18周：开题答辩。第1820周：进行实验，记录实验数据。20132014学年第二学期：第18周：进一步完善实验研究方案，进行具体实验，完成试样的制备和

17、热处理 工艺，并准备中期答辩。第8周：中期答辩。第812周：完善实验数据，进行结果分析，撰写毕业论文，准备毕业答辩。第13周：毕业答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师：年 月 日所在系审查意见：系主管领导：年 月 日参考文献1张伟，杨通，李建平，等.铸造ALSi-Cu-Mg合金分级热处理工艺及对力学性能的影响 JJ.2007.2吴晓波，张恒华,李敏敏,邵光洁,杨弋涛，等.许珞萍.Fe相及其形貌对共晶Al-Si合金性能的 影响.特种铸造及其有色合金，2007,27(1):64.3中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册,19934 Klimowicz T F.The La

18、rge-Scale Cormercialization of Aluminum-Matrix CorpositesJ994(11)5罗志键，张伯明等.高强度薄壁件铸造技术的综述球铁,1988(3)6熊艳才，刘伯操.铸造铝合金现状及其展望J.特种铸造及有色合金,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合金组织细化与力学性能的研究.东南大学博士学位论文.200010 J.A.Garcia-Hinojosa,C.R.Gonzalez,Y