组织不均匀对铝合金搅拌摩擦焊接头超高周疲劳性能影响

摘要

搅拌摩擦焊作为一种固相连接工艺，可焊接焊接性较差的7XXX系列的高强铝合金，因此，广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源等各个领域。
　　本文采用天津大学自主研制的超声疲劳试验系统对高强可热处理强化铝合金7050-T7451母材以及其搅拌摩擦焊接头的超高周疲劳行为进行研究，主要讨论搅拌摩擦焊接头组织不均匀性对其超高周疲劳性能的影响。试验结果表明，母材及焊接接头试件疲劳裂纹均萌生于试件表面或次表面，内部起裂现象没有出现。母材和焊接接头试件S-N曲线均呈多阶型，在循环周次为108时S-N曲线出现转折点，并将超长寿命区间的S-N曲线分成两个区域：在循环周次106至108时，S-N曲线存在相对的水平平台；在循环周次为108至109时，S-N曲线为连续下降；相对而言，母材试件的疲劳强度比焊接接头试件略高。通过对疲劳裂纹启裂位置的统计结果发现，母材试件的断裂位置沿平行段呈随机分布，而焊接接头试件呈现明显的倾向性，即大部分疲劳裂纹出现在热力影响区；具体来讲，焊接接头试件在循环周次为106至5×107时断裂位置为前进侧的热力影响区，而在循环周次为5×107至109时，断裂位置均匀分布在前进侧和后退侧的热力影响区。
　　为确定裂纹启裂位置与组织不均匀引起的应变不均匀性的关系，数字图像相关测量（DIC）技术以及光学显微镜等分析手段用于分析搅拌摩擦焊接接头试件在拉伸条件下应变场和金相组织分析。试验观察发现，搅拌摩擦焊过程中不均匀的剧烈塑性变形和热循环作用导致不同区域微观组织不均匀。在较小的循环应力水平下，前进侧和后退侧的热力影响区应变变形较为均匀，而此时微观塑性应变值低于驻留滑移带门槛值但高于不可逆滑移门槛值，经过多次循环载荷导致小部分不可逆的循环应变，并随机分布在前进侧和后退侧热力影响区，故疲劳裂纹随机萌生于两侧热力影响区；在较高的应力水平下，由于前进侧热力影响区的硬度较低，与后退侧热力影响区相比具有更明显的应变局部化，前进侧热力影响区的应变值处于驻留滑移带门槛值以上，随着应变循环数量的增加，导致在前进侧热力影响区更快的不可逆的循环应变积累，从而萌生疲劳裂纹倾向于在此处萌生。采用裂纹萌生区特有尺寸和维氏硬度值以及修正Murakami公式对铝合金疲劳强度进行计算，得出的结果与实际应力水平相差在10％以内。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2金属材料的超高周疲劳性能

1.3 搅拌摩擦焊接头疲劳性能

1.4 本课题研究内容

第2章 铝合金搅拌摩擦焊接头超声疲劳试验

2.1 超声疲劳试验材料

2.2超声疲劳试验原理

2.3 超声疲劳试件设计

2.4 超声疲劳试验系统

2.5超声疲劳试验结果及S-N曲线

2.6超声疲劳断裂位置统计

2.7试件类型对焊接接头试验结果的影响

2.8本章小结

第3章 超高周疲劳断裂位置分析

3.1疲劳试件断裂位置分析

3.2焊接接头试件局部应变的分析

3.3焊接接头微观组织分析

3.4本章小结

第4章 疲劳断口分析及强度计算

4.1 焊接接头的硬度云图

4.2疲劳断口分析

4.3疲劳强度预测分析

4.4本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

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致谢