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本文采用自约束全自动冷热疲劳试验机,以ZCuSn1OP1合金为研究对象,通过光学显微镜、扫描电镜等仪器检测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。首先对ZCuSn10P1合金进行不同的热处理工艺,然后通过跟踪、观察不同循环次数下不同处理工艺ZCuSn10P1合金的裂纹萌生位置及扩展路径,分别研究了ZCuSn10P1合金在20℃～500℃的冷热疲劳性能及裂纹扩展速率,不同升温时间及不同上限温度对ZCuSn10P1合金冷热疲劳性能的影响和实验过程中ZCuSn10P1合金的氧化行为。并且,利用Ansys软件对试验中20℃←→500℃温度场和应力场进行了模拟。
在本研究条件下,得出以下主要结论:
热处理方式选择为630℃保温50min后空冷和630℃保温50min后水淬。热处理后,晶间δ相比铸态的要少,结晶组织细密,合金中出现熔化孔洞及重熔组织,除使合金不致密外,还会使晶粒间的结合力降低,力学性能明显下降。第二相中的Sn含量变少,这表明,热处理后已消除锡偏析现象,锡已均匀的分散于铜基体中。裂纹首先都是在试样缺口附近的缺陷处产生,然后逐渐扩展到应力集中区域,也就是缺口处。热处理后的试样抗疲劳性能要好于铸态试样,而对于630℃保温50min后水淬的试样抗疲劳性能最佳。原因就在于减少了δ相,基本消除偏析现象,塑性增大,并且裂纹扩展满足L=bNa,裂纹扩展速率v=bNa-1。热处理前后物相没什么变化,只是峰的强度有所改变,表明对应的元素晶格密度和结晶度不同。上限温度越高,ZCuSn10P1合金抗疲劳性能越差;升温时间越长,材料越容易失效。ZCuSn10P1合金的氧化过程是,表面不断氧化,不断剥落,然后又是表面氧化与剥落的过程。随着实验的进行,疲劳试样的硬度逐渐降低。温度场和应力场的模拟数据表明,热疲劳裂纹应优先在应力集中的预置缺口处产生,而且优先在试样表面产生,在不考虑试样缺陷的情况下与实际试验过程及实验结果相符。热处理后,ZCuSn10P1合金硬度值逐渐降低,抗拉强度和伸长率逐渐增大。