MB8变形镁合金母材及焊接接头超高周疲劳性能研究

摘要

随着汽车及铁路机车车辆高速化和高龄化时代的到来，长期服役的零部件需要了解其在超长寿命下的疲劳性能。然而，对于镁合金及其焊接接头疲劳的研究主要集中在低周疲劳和高周疲劳，涉及镁合金及其焊接接头的超高周疲劳研究论文寥寥无几。因此，面对交通运输领域的新需求，有必要对镁合金及其焊接接头的超高周疲劳性能开展更深入细致的研究。论文首先对MB8变形镁合金超声疲劳试样进行解析计算和有限元分析，探讨超声疲劳试样的形状、尺寸与共振的基本规律及其优化方法。之后，对MB8变形镁合金母材、焊接接头、无余高焊接接头进行金相组织观察、静载力学性能检测、超声疲劳试验、疲劳裂纹萌生及扩展光学显微镜观察、疲劳断口扫描电镜观察以及应力集中有限元模拟仿真。探讨MB8变形镁合金母材、焊接接头、无余高焊接接头超高周疲劳S-N曲线特征和疲劳断裂机理，分析焊接过程、缺口效应对MB8变形镁合金超高周疲劳性能的影响。结果表明：
　　（1）超声疲劳试样的形状、尺寸与共振的基本规律及其优化方法
　　对于形状规则的母材超声疲劳试样，可通过解析推导方式计算出试样各尺寸。对于形状不规则的焊接接头超声疲劳试样，需要通过有限元方法进行模拟分析。通过模拟计算可知焊接接头超声疲劳试样具有如下规律：当余高放在焊接接头试样侧面时，对试样一阶固有频率无影响；当余高放在焊接接头试样正面时，试样的一阶固有频率随着焊缝余高高度的增大呈非线性增加，且随着余高宽度的增加呈线性增加；当焊缝余高引起试样一阶固有频率变化时，可以通过改变谐振长度来调节试样的一阶固有频率，谐振长度对其影响规律为线性。
　　（2）母材金属的超高周疲劳S-N曲线特征和疲劳失效机理
　　MB8变形镁合金母材的超高周疲劳S-N曲线呈连续下降的趋势，不存在传统意义上的疲劳极限。其S-N曲线方程为lg(△σ)=2.45187-0.06513lgN。在1×107循环周次下的条件疲劳极限为104.99MPa。MB8变形镁合金轧制板材的疲劳比为0.30，与其它变形镁合金相比，其超高周疲劳性能偏差。MB8变形镁合金板材疲劳机理为应力腐蚀疲劳，疲劳裂纹起源于试样表面腐蚀坑。在初始扩展区，腐蚀对疲劳裂纹扩展有明显影响。在中期扩展区，断口形貌具有穿晶解理特征，疲劳裂纹以穿晶方式扩展。在后期扩展区，断口形貌含有糖块状花样和少量穿晶解理台阶，疲劳裂纹以沿晶方式扩展为主，并伴随少量的穿晶扩展。
　　（3）焊接接头的超高周疲劳S-N曲线特征和疲劳失效机理
　　MB8变形镁合金焊接接头的母材和焊缝区强度较低，热影响区的强度相对较高。MB8变形镁合金焊接接头的超高周疲劳 S-N曲线存在疲劳极限，其疲劳极限为35.2MPa。在高周阶段，其S-N曲线方程为lg(△σ)=2.8559-0.17641lgN。焊接接头的疲劳强度系数为0.398。疲劳裂纹萌生于焊接接头的焊趾处，该处组织分布不均匀，同时又存在较高的应力集中，使该处表面晶粒的滑移带“挤入”与“挤出”，形成初始疲劳裂纹。在初始扩展区，断口形貌为随机取向的穿晶解理台阶，疲劳裂纹以穿晶方式扩展。在过渡扩展区，断口形貌为糖块状花样和少量穿晶解理台阶，疲劳裂纹以沿晶扩展为主，以少量的穿晶扩展为辅。在粗晶扩展区，断口形貌仅存在糖块状花样，疲劳裂纹沿着热影响区的过热粗晶的晶界扩展。在柱状晶扩展区，断口形貌为长条糖块状花样，疲劳裂纹沿着焊缝柱状晶的晶界扩展。
　　（4）无余高焊接接头的超高周疲劳S-N曲线特征和疲劳失效机理
　　MB8变形镁合金无余高焊接接头的S-N曲线同样也存在着疲劳极限，其疲劳极限为40.6Mpa。在高周阶段，其S-N曲线方程为lg(△σ)=2.7398-0.139lgN。其疲劳强度系数为0.556。疲劳裂纹起源于焊缝余高磨平后所暴露出来的柱状晶，在交变应力作用下，滑移带“挤入”与“挤出”形成疲劳裂纹源，裂纹沿着与主应力成45°方向扩展，扩展至柱状晶晶界后，沿着柱状晶的晶界扩展。与焊接接头相比，无余高焊接接头的过渡扩展区仍然是随机取向的穿晶解理台阶，但是粗晶扩展区和柱状晶扩展区不再是单纯的沿晶扩展，出现少量的穿晶解理台阶，表明在粗晶扩展区和柱状晶扩展区，疲劳裂纹也会以穿晶方式扩展。
　　（5）应力集中和组织变化对超高周疲劳强度的影响
　　应力集中和焊接接头处薄弱组织是导致焊接接头疲劳性能降低的主要原因。焊接接头焊趾处的应力集中系数为1.846。当焊接接头去除余高后，疲劳强度系数从0.398变为0.556。焊接过程造成的薄弱组织使MB8变形镁合金超高周疲劳强度降低44.4%，余高引起的应力集中使MB8变形镁合金超高周疲劳强度降低15.8%，即组织对焊接接头疲劳性能的削弱更加明显。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 早期疲劳研究的发展

1.3 镁合金的高周疲劳

1.4 金属材料的超高周疲劳

1.5 本课题研究的主要内容

第二章 超声疲劳试验技术及试样设计与分析

2.1 超声疲劳试验技术

2.2 母材试样解析计算

2.3 焊接接头试样有限元分析

2.4 本章小结

第三章 实验材料及方法

3.1 试验材料

3.2 试验方法

第四章 MB8变形镁合金母材超高周疲劳性能研究

4.1 MB8变形镁合金金相组织

4.2 MB8变形镁合金疲劳性能

4.3 MB8变形镁合金疲劳失效机理

4.4 本章小结

第五章 MB8变形镁合金焊接接头超高周疲劳性能研究

5.1 MB8变形镁合金焊接接头金相组织

5.2 MB8变形镁合金焊接接头静载力学性能

5.3 MB8变形镁合金焊接接头S-N曲线

5.4 MB8变形镁合金焊接接头疲劳失效机理

5.5 本章小结

第六章 MB8变形镁合金无余高焊接接头超高周疲劳性能研究

6.1 MB8变形镁合金无余高焊接接头S-N曲线

6.2 MB8变形镁合金无余高焊接接头疲劳失效机理

6.3 应力集中对焊接接头超高周疲劳性能的影响

6.4 本章小结

第七章 总结

7.1 主要工作回顾

7.2 本课题今后需要进一步研究的地方

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢