挤压态AZ31镁合金的疲劳断裂李扬大论文

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1、第一章绪论1.1镁及镁合金概述镁是目前实际应用中最轻的金属结构材料。纯镁的密度为1.74g/cm3，常见镁合金的密度从1.3-1.9g/cm3不等[1姜]。在目前已获得工程应用的金属结构材料中，镁合金的密度是最低的，仅为铝合金的2/3，钢的1/4。金属镁不仅质轻而且含量丰富、分布广泛，约占地壳总重量的2%，广泛分布于陆地、海洋和湖泊中。纯镁的切削性能十分良好，但机械性能低，不能做结构材料使用。此外由于镁的电化学活性很强，电动序在常用金属中占最低一位，所以抗蚀性很差，在空气中易氧化，在潮气、海水及酸、盐溶液等特殊环境中易腐蚀，与其它金属接触时还会

2、发生接触腐蚀。因此在工业上，纯镁除了少部分用于化学工业，仪表制造及军事工业外，主要用于制造镁合金，及生产镁铝合金的合金元素。目前世界上的原镁产量约有50%用于制造镁合金，33%用于制造铝合金。其余的用做生产某些合金的还原剂、脱氧剂及变质剂等。镁及镁合金是典型的密排六方结构材料，其弹性模量E为45GPa，切变模量G为17GPa，比弹性模量E/r为25GPacm3/g，均小于铝（相应值分别为71GPa、26GPa、27GPacm3/g）。与其它金属材料以及工程塑料相比，镁合金具有很高的比强度和比刚度[2姜]。镁合金还具有远大于其它合金的阻尼减震性能

3、。例如镁合金KIA(含0.7%镁)在20℃时的减震能量不仅远高于铝合金，而且还是灰口铸铁的4.6倍[AM50]。此外，镁合金的低熔点、低动力学粘度、低比热容、低相变潜热以及与铁的亲和力小等特点使其具有熔化耗能少、充型速度快、凝固迅速、实际压铸周期短、模具使用寿命长等优势，极适合于采用现代化压铸技术进行成形加工。而且镁合金还具有良好的切削加工性能、尺寸稳定性能、电磁屏蔽性能，以及资源丰富、容易回收等一系列优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”，在航空航天、汽车、电子等工业领域的应用中具有广阔的前景[1～3开]。1.2镁合金应用.近年来，随着镁合金的

4、迅速发展，在航空工业、汽车工业和电子通讯工业中的应用日益广泛[1,2镁合金疲劳行为的研究现状及展望]。以往镁合金的应用重点是在飞机上，但目前以压力铸造方法生产的镁合金在汽车上用量的急剧增加引起了国际上的广泛注意，成为21世纪中所瞩目的焦点。由于世界石油资源的日趋紧张，油价不断上涨，能源短缺和环境污染成为制约汽车产业可持续发展的主要问题，对汽车工业节省能耗和保护环境提出了更高的要求。镁合金具有密度小、质量轻的优点，换用镁合金就能减轻整车的重量，达到降低汽车自重达到减少汽油消耗的目的。。同时，使用镁合金零部件可降低汽车启动和行驶重量，使汽车驾驶起来

5、更灵活舒适，具有更好的加速和减速性能，满足汽车生产的要求。镁合金的比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。此外镁合金还具有具有良好的铸造性和尺寸稳定性，客易加工，废品率低，从而降低生产成本。良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。大量的镁合金汽车零部件如仪表板、汽车座椅骨架、变速箱壳体、方向盘操纵系统部件、发动机零部件、车门框架、轮毅、支架、离合器壳体、车身支架等等被生产出来替代钢和铝合金零部件。日本1990年每辆汽车用镁量仅5公斤，2000年增

6、至210公斤，占汽车重量的25%，仅次于铝材而超过钢铁的重量。同时电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是镁合金的新兴应用领域。由于数字化技术的发展，各类数字化电子产品不断出现，电子器件高度集成化和小型化，出现了大量便携式电子器材，如手提电话、便携式电脑和小型摄录机等。电子工业中镁合金的增长需求缘于镁合金具有重量轻、刚度高以及良好的薄壁铸造性能等方面的优点，同时其兼有导热性好、热稳定性高、电磁屏蔽性能好、阻尼性能好等特性，这是电子行业将目光投向镁合金的重要原因。在移动通讯方面，目前使用塑料壳体的移动电话质量不高。为了解决这一问题，有的移动电话在塑

7、料壳中增加了金属衬垫，以达到抗干扰的目的。而将镁合金用于制造移动电话外壳即可完全解决这一难题，使通讯过程中的电磁波只通过天线接收和发送，减少了电磁波的损失，提高移动电话的通讯质量，同时还能减少电磁波对人体大脑的伤害。此外，采用镁合金外壳，可以提高其刚度和强度，确保其不易摔坏，满足了轻巧、美观、实用的要求。由于镁合金的应用范围越来越广，因此，如何安全使用镁合金已受到人们的普遍观注。工程中的结构件往往是在疲劳条件下工作的，疲劳破坏是引起零部件失效的主要原因。因此研究疲劳裂纹扩展行为更加具有现实意义。故镁合金的疲劳性能越来越受到材料学者和工程设计人员

8、的重视，特别是镁合金在腐蚀环境和高温环境等有害条件下的疲劳性能很受关注。1.2镁合金应用2国内外研究动态2.1影响镁合金疲劳性能的因素由于镁合金的化学