AZ31B镁合金及其焊接接头平面应变断裂韧度的试验研究

论文摘要

由于镁合金质轻高强,易于循环利用等一系列优点,对它的研究和应用越来越受到世界材料学界及工业界的关注,被誉为21世纪最具有发展潜力和前途的绿色工程材料。镁合金已经成为继钢铁和铝合金之后的第三大工程材料。然而若作为结构构件广泛应用,镁合金必然面临连接问题。焊接将是一种优选的连接方法。平面应变断裂韧度KIC为表征材料抵抗裂纹失稳扩展能力的材料常数,是现代工程设计中衡量材料性能必不可少的基本参数之一。正因为焊接接头的断裂韧度是影响焊接结构件安全性的重要因素,本文对镁合金及其焊接接头的KIC进行了试验研究。本文采用三点弯曲（SEB）方法试验对AZ31B镁合金及其焊接接头的平面应变断裂韧度进行了试验研究。论文着重测试了AZ31B镁合金母材、AZ31B镁合金钨极惰性气体保护（TIG）焊焊缝中心区、焊接热影响区及纵向接头（裂纹横穿焊缝）试件的载荷-裂纹张口位移（P-V）曲线,在此基础上分别计算得出它们的平面应变断裂韧度KIC值。研究了它们的微观和宏观断口形貌,并进行了分析对比,本试验还特别考虑了挤压方向因素对平面应变断裂韧度值的影响。对缺口方向与挤压方向平行、斜45°和垂直的AZ31B镁合金母材SEB试件进行了三点弯曲试验,得到载荷-裂纹张口位移（P-V）曲线并计算得到它们的KIC值。其中缺口方向平行于挤压方向试件的断裂韧度范围为8.94MPa m 10.13MPa m ,缺口方向45°倾斜于挤压方向试件的断裂韧度范围为9.06MPa m 10.15MPa m ,缺口方向垂直于挤压方向试件的断裂韧度范围为8.91MPa m 11.71MPa m。分别对AZ31B镁合金焊缝中心区及焊接热影响区SEB试件进行三点弯曲试验,测得它们的P-V曲线后计算得到其平面应变断裂韧度KIC范围分别为15.75MPa m 18.47MPa m和12.89MPa m 14.67MPa m。对AZ31B镁合金纵向焊缝（裂纹横穿焊缝）SEB试件进行三点弯曲试验,测得它们的P-V曲线后计算得到其平面应变断裂韧度KIC范围为15.74对各试件组的KIC值进行对比分析,大体所表现的抵抗裂纹扩展能力优劣顺序如下:AZ31B镁合金焊缝中心区试件,纵向焊缝,焊接热影响区,缺口垂直挤压方向母材试件,缺口倾斜挤压方向45°母材试件,缺口平行挤压方向母材试件。利用扫描电子显微镜（SEM）对各组试件断口自裂纹起始处到结束进行观察,结果发现大部分断口整体表现出逐渐增强的解理断口形貌特征。个别断口出现有少量的疲劳条纹,这是由于预置疲劳裂纹时复杂的内应力和外应力的共同作用在而焊缝中心产生的。AZ31B镁合金及其焊接接头计算得到的平面应变断裂韧度KIC值均较小,与观察得到的解理断口形貌基本吻合。通过对各组试件断口的宏观照片进行观察分析,结果发现除缺口平行挤压方向母材试件的断口较为平齐,几乎没有变形外,其余各试验项宏观断口均有明显变形,尤其在试件厚度方向两侧位置有高约3mm的山形撕裂棱。并且塑性变形大小与其平面应变断裂韧度KIC值大小存在正相关关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 镁合金的焊接性
• 1.2.1 镁合金焊接性的影响因素
• 1.2.2 镁合金的焊接
• 1.2.3 镁合金的主要焊接问题
• 1.2.4 镁合金TIG 焊焊接接头力学性能的研究
• 1.3 金属疲劳断口的形状特征
• 1.3.1 宏观形状特征
• 1.3.2 微观形状特征
• 1.4 断裂韧度的影响因素
• 1.4.1 内因
• 1.4.2 外因
• 1.5 镁合金及其接头断裂韧度国内外研究现状
• 1.6 本课题研究内容及技术路线
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 技术路线
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验设备
• 2.4 焊接试板的制备
• 2.5 取样方法及试样制备
• 2.6 试验过程及方法
• 2.6.1 预置疲劳裂纹
• 2.6.2 三点弯曲试验
• 2.7 试验数据处理过程
• 2.7.1 计算载荷Pq 值的确定
• 2.7.2 裂纹长度a 的确定
• 2.7.3 计算Kq 值
• 第三章 AZ318 镁合金母材平面应变断裂韧度的研究
• 3.1 引言
• 3.2 试件及其相关参数
• 3.3 缺口平行挤压方向试件的三点弯曲试验及结果分析
• 3.3.1 平行试件的P-V 曲线
• 3.3.2 试验数据处理
• 3.3.3 微观断口观察与分析
• 3.4 缺口斜挤压方向45°试件的三点弯曲试验及结果分析
• 3.4.1 斜45°试件的P-V 曲线
• 3.4.2 试验数据处理
• 3.4.3 微观断口观察与分析
• 3.5 缺口垂直挤压方向试件的三点弯曲试验及结果分析
• 3.5.1 垂直试件的P-V 曲线
• 3.5.2 试验数据处理
• 3.5.3 微观断口观察与分析
• 3.6 对比分析
• 3.6.1 预置裂纹对KIC 影响
• 3.6.2 A、B、C 三组试件高倍SEM 对比分析
• 3.6.3 断口宏观形貌分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 AZ318 镁合金TIG 焊焊缝中心及热影响区平面应变断裂韧度的研究
• 4.1 引言
• 4.2 试件相关参数
• 4.3 焊缝中心试件的三点弯曲试验及结果分析
• 4.3.1 焊缝中心试件的P-V 曲线
• 4.3.2 试验数据处理
• 4.3.3 微观断口观察与分析
• 4.4 焊接热影响区试件的三点弯曲试验及结果分析
• 4.4.1 焊接热影响区试件的P-V 曲线
• 4.4.2 试验数据处理
• 4.4.3 微观断口观察与分析
• 4.5 对比分析
• 4.5.1 E 组与F 组试件厚度方向两侧形貌对比
• 4.5.2 E 组和F 组试件断口宏观形貌对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 AZ318 镁合金TIG 焊纵向焊缝平面应变断裂韧度的研究
• 5.1 引言
• 5.2 试件及其相关参数
• 5.3 纵向焊缝试件的P-V 曲线
• 5.4 试验数据处理
• 5.5 微观断口观察与分析
• 5.6 D 组试件宏观形貌观察
• 5.6.1 D 组试件厚度方向两侧形貌
• 5.6.2 D 组试件断口宏观形貌
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况