7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展与断口特征研究

论文摘要

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术,其在铝合金等轻型合金连接方面具有很大的优势。国内外已经对FSW的工艺参数、组织结构和焊接缺陷等方面进行了研究,但是对其接头的疲劳性能研究却很少,尤其是在国内。建立合理有效的疲劳评定标准是FSW技术推广和应用的必要条件。本文通过对7075-T6铝合金FSW接头的金相试验发现:焊接接头由焊核区、热机影响区和热影响区组成。其中焊核区是由大量细小等轴晶组成,而热机影响区的晶粒受搅拌头的作用被拉长。另外通过焊接接头硬度试验发现:焊缝区硬度呈近“W”形分布,焊核区的硬度值仅低于母材,达到160HV,前进侧HAZ硬度值最低,接近100HV,成为整个接头最薄弱的区域;还有焊缝区域的硬度分布和微观组织的变化相对应。本文通过对7075-T6FSW接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验,来研究铝合金FSW接头的疲劳性能。实验结果表明:后退侧HAZ疲劳裂纹扩展速率最慢,而垂直于焊缝区的扩展速率则最快;焊缝中心区的扩展速率在低△K区会低于前进侧HAZ,而到裂纹扩展后期,疲劳裂纹扩展速率会高于前进侧HAZ;与IIW标准的特征值相比,所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值,这说明FSW接头的疲劳性能较好。再从母材性能、残余应力、工艺参数、接头形状、焊接缺陷、接头表面状况等角度出发分析了影响铝合金FSW接头疲劳裂纹扩展速率的因素,其中残余应力和焊接缺陷的影响较大,可以从这两方面出发来改善接头的止裂性能。我们还对7075-T6FSW接头的疲劳断口进行了SEM观察发现:焊缝中心的疲劳断口较平整,而其它区域的疲劳断口较粗糙;且焊缝中心的断裂形式始终是沿晶断裂,而其它区域却是在扩展初期是沿晶断裂,而在扩展后期是穿晶断裂。另外在焊缝中心区的疲劳断口观察不到疲劳辉纹,而在HAZ和垂直于焊缝区的疲劳断口中都观察到了疲劳辉纹的出现,这跟试样的受力状态和材料性能有关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外搅拌摩擦焊技术发展现状
• 1.3 搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究现状及存在问题
• 1.3.1 FSW接头S-N曲线研究
• 1.3.2 FSW接头疲劳裂纹扩展速率研究
• 1.3.3 腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展速度和门槛值
• 1.3.4 FSW接头疲劳研究中存在的问题
• 1.4 FSW接头疲劳性能的影响因素
• 1.4.1 残余应力
• 1.4.2 母材
• 1.4.3 焊接缺陷
• 1.4.4 工艺参数
• 1.4.5 搅拌工具
• 1.4.6 焊后处理工艺
• 1.5 FSW接头疲劳断口特征
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 试验原理及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 搅拌摩擦焊设备及参数
• 2.3 焊缝无损检测试验方法
• 2.4 疲劳裂纹扩展速率试验
• 2.4.1 试验内容
• 2.4.2 试验原理及条件
• 2.5 金相试验
• 2.6 硬度试验
• 2.7 断口观察
• 2.8 本章小结
• 第三章 7075-T6 铝合金FSW疲劳裂纹扩展试验结果
• 3.1 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头组织特征
• 3.1.1 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头宏观特征
• 3.1.2 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织特征
• 3.1.3 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头的组织缺陷
• 3.2 7075-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头硬度分布
• 3.3 7075-T6 铝合金疲劳裂纹扩展速率试验结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 7075-T6 铝合金FSW疲劳试验结果分析讨论
• 4.1 FSW接头不同位置疲劳裂纹扩展速率比较
• 4.2 影响7075-T6FSW接头疲劳裂纹扩展速率的因素
• 4.2.1 显微组织的影响
• 4.2.2 焊接缺陷的影响
• 4.2.3 焊接接头残余应力的影响
• 4.2.4 FSW接头硬度的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 7075-T6 铝合金FSW疲劳断口特征
• 5.1 疲劳裂纹的萌生和扩展理论
• 5.2 7075-T6 铝合金FSW接头疲劳断口特征
• 5.2.1 7075-T6 铝合金FSW接头宏观疲劳断口特征
• 5.2.2 7075-T6 铝合金FSW接头微观疲劳断口特征
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢