7075铝合金挤压棒材低周疲劳各向异性研究

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随着航空航天和交通运输业的发展,对能源消耗提出了更高的要求,这也给环境保护带来了巨大压力,汽车和飞机的轻量化是解决这些问题的有效手段。7075铝合金的密度只有钢的三分之一,且具有高的比强度和比刚度,因而其应用范围越来越广泛。然而,不同的使用场合和服役条件对于7075铝合金力学性能的各向异性提出了更高的要求。本文以Φ200mm的挤压7075铝合金挤压棒材作为研究对象,分析其与挤压方向成0°(ED)、45°(45°)和90°(RD)的试样在T4和T6两种热处理下的准静态力学性能和低周疲劳性能。通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对晶粒形貌、第二相类型和织构类型进行微观组织表征,探讨了力学性能各向异性的机理,为7075铝合金构件的设计与成形制造提供了基础。通过准静态力学性能分析,ED试样比45°试样和RD试样具有更高的屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS),而45°试样则具有更为优良的塑性。T4热处理状态下的挤压7075铝合金的屈服强度、极限抗拉强度和屈强比(VS/WTS)与时效时间呈正相关,延伸率(EL)与时效时间呈负相关。循环加载可以加速自然时效的效果,循环加载1h试样(L1)的力学性能相较于自然时效的试样,力学性能显著提升。T4热处理后试样应力应变曲线在进入屈服后会出现明显的强化阶段,且伴随着动态应变时效现象的出现,在曲线上能观察到明显的锯齿流变现象。时效时间越长,试样出现锯齿流的临界应变越大。随着时效时间的延长,ED试样的锯齿类型始终保持B形锯齿,45°试样由B形锯齿变为A形锯齿;RD试样由C形锯齿转变为B形锯齿。三个方向试样的断裂方式均属于脆性断裂和韧性断裂混合的断裂方式,但45°试样的韧窝的比例和尺寸更大。通过对低周疲劳力学性能分析,T4热处理状态下三个方向试样都表现出明显的循环应变硬化现象。随着循环圈数的增加,试样的硬化率越来越高,相应的塑性应变分量越来越低。在低应变幅时循环应力响应曲线存在稳定的循环阶段,在高应变幅时试样会在硬化的过程中快速的失效。T6热处理后的试样同时存在应变硬化和应变软化行为。T4热处理状态下,ED试样在低应变幅时为单源断裂,RD和45°试样的疲劳断裂方式为多源断裂;T6热处理状态下三个方向试样在低应变幅时的疲劳断裂方式都为单源断裂。基于应变的Manson-Coffin(MC)疲劳寿命模型和基于能量损伤准则的Jahed-Varvani(JV)疲劳寿命模型对挤压7075铝合金具有良好的拟合精度。通过微观组织分析,铸态7075铝合金的晶粒形貌为等轴晶,晶粒粗大。经过挤压变形之后,试样沿挤压方向为拉长的纤维状晶粒,并且表现出强烈的[111]丝织构。ED、45°和RD试样沿加载轴加载使时的平均施密特因子分别为0.39、0.47和0.45。T6热处理状态试样的第二相尺寸小于循环加载后的T4热处理试样,这是T6热处理试样低周疲劳寿命较高的重要原因。
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