7XXX系铝合金疲劳性能优化研究

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7XXX系(Al-Zn-Mg-(Cu))铝合金由于高强度、低密度、耐腐蚀性及良好的挤压变形能力在航空航天和轨道交通运输等领域具上有广泛的应用。随着轻量化、关键构件国产化等需求的增多,7XXX系铝合金由于自身的特点被大量用于高速列车牵引梁、枕梁等主要受力结构部位。因此7XXX系铝合金在高速铁路的发展中占有重要的战略地位,其中最为典型的就是A7N01和7B05铝合金。由于实际应用中对高速列车的速度以及安全性的要求不断提高,这就促使我们制备出性能更加优异的结构材料。其中构件在长期服役过程中承受交变载荷作用所表现出来的疲劳性能尤为重要。据估计90%的服役失效是由结构材料的疲劳造成的。因此,如何提高材料与构件的疲劳性能是工业生产和实际应用中急需解决的问题。本课题以高速列车枕梁、牵引梁等主要受力结构部件服役情况为研究背景,主要研究了三种不同Si(0.01%wt.Si、0.1%wt.Si和0.38%wt.Si)含量的A7N01-T6铝合金以及单级时效状态下7B05-T5铝合金的高周疲劳性能。旨在对工程构件铝合金疲劳性能进行优化。本文借助性能测试和材料显微结构表征等手段来研究不同Si含量的A7N01铝合金以及不同时效状态下的7B05铝合金疲劳性能。由实验结果可知,三种不同Si含量A7N01铝合金的疲劳强度分别为:112MPa、115MPa和129MPa。而7B05铝合金在120℃下时效30h、120h和576h的疲劳强度分别为:157MPa、167MPa和167MPa。实验得出主要结论如下:(1)随着Si元素含量的增加,A7N01铝合金疲劳强度单调增强,同时S-N曲线的分散性大大降低。微观组织分析以及强度和硬度误差均表明,当提高Si元素含量时,合金的组织均匀性得到改善,这被证明是提高疲劳强度和降低疲劳寿命分散性的主要原因。(2)随着时效时间的增加,7B05铝合金疲劳强度增加。通过对晶界析出相和晶界无析出带的观察表明,随着时效时间的增加,晶界析出相之间的平均距离增加,晶界无析出带宽度增加,这是疲劳强度增加的主要原因。同时,由S-N曲线可以发现,随着时效时间的增加,S-N曲线斜率单调增加,这从疲劳损伤角度来说对改善合金疲劳性能有益。
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