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AZ31B镁合金焊接接头疲劳裂纹扩展机理研究

2020-12-07阅读(454)

AZ31B镁合金焊接接头疲劳裂纹扩展机理研究

论文摘要

基于轻质高强的优势,镁合金材料将成为“陆海空天”交通运载工具的优选材料,但其疲劳性能尤其是焊接接头的疲劳性能成为制约镁合金材料广泛应用的瓶颈。本文采用紧凑拉伸试件（CT）方法对镁合金材料及其焊接接头的疲劳裂纹扩展机理进行了研究。论文着重测试了AZ31B镁合金材料、AZ31B镁合金TIG焊焊接接头、焊缝金属、焊接热影响区的疲劳裂纹扩展速率,在此基础上研究了能直观反映疲劳裂纹扩展性能的da/dN-ΔK曲线,研究了它们的疲劳裂纹扩展机制,并进行了对比分析,特别考虑了挤压方向因素对疲劳断裂速率和路径的影响。对切口与挤压方向平行、垂直和倾斜45o的AZ31B镁合金材料CT试件进行疲劳裂纹扩展速率测定。其da/dN-ΔK曲线的Parise公式常量C和n如下:平行试件在3.7<ΔK≤5.5MPa·m?的范围内为3.66×10-8和3.67,在5.5<ΔK≤6.1MPa·m?范围内为1.00×10-21和22.1,在6.1<ΔK≤12.0MPa·m?范围内为1.57×10-5和1.60;垂直试件在5.7<ΔK≤7.5MPa·m?范围内为9.71×10-13和5.17,在7.5<ΔK≤12.6MPa·m?范围内为2.37×10-7和3.35;倾斜45o试件在4.1<ΔK≤6.0MPa·m?范围内为1.88×10-13和11.8,在6.0<ΔK≤13.2MPa·m?范围内为2.27×10-6和2.63。对AZ31B镁合金焊缝金属CT试件进行疲劳裂纹扩展速率测定,其da/dN-ΔK曲线的Parise公式的常量C和n分别为:在5.52<ΔK≤6.12MPa·m?范围内为2.67×10-17和15.9,在6.12<ΔK≤12.0MPa·m?范围内为9.33×10-7和2.53。对切口与挤压方向平行和垂直的AZ31B镁合金热影响区CT试件进行疲劳裂纹扩展速率测定,其da/dN-ΔK曲线的Parise公式的常量C和n分别是:平行试件在5.29<ΔK≤11.6MPa·m?范围内为1.50×10-5和1.65,垂直试件在5.7 <ΔK≤8.2MPa·m?范围内为1.12×10-13和9.91 ,在8.2 <ΔK≤12.6MPa·m?范围内为1.32×10-7和3.49。对AZ31B镁合金焊接接头CT试件进行疲劳裂纹扩展速率测定,其da/dN-ΔK曲线的Parise公式常量C和n分别是:在5.3<ΔK≤6.4MPa·m?范围内为2.54×10-18和17.3,在6.4<ΔK≤9.0MPa·m?范围内为3.02×10-4和-0.107,在9.0<ΔK≤11.9MPa·m?范围内为1.25×10-9和5.57。通过对比所拟合得到的各试验项Parise公式可以发现,AZ31B镁合金、AZ31B镁合金TIG焊焊缝和热影响区疲劳裂纹在中速稳定扩展阶段,其da/dN-ΔK曲线Parise公式常数n在1.60～3.35之间。各试验项在试验ΔK范围内大体所表现的疲劳裂纹止裂性能优劣顺序如下:切口垂直挤压方向热影响区,切口垂直挤压方向母材,TIG焊焊缝,切口倾斜45o挤压方向母材,切口平行挤压方向母材,切口平行挤压方向热影响区。切口平行挤压方向焊接接头疲劳裂纹止裂性能优于切口平行挤压方向母材。利用扫描电子显微镜（SEM）对各试验项试件断口自疲劳裂纹起始至结束进行观察,可发现大部分断口整体表现出逐渐增强的解理断裂形貌。个别断口出现极少量疲劳条纹。还可以观察到切口平行和垂直挤压方向CT试件、焊缝CT试件及切口平行和垂直挤压方向热影响区CT试件的疲劳裂纹总体沿平行于切口方向,垂直于载荷轴向的方向径直扩展,斜45o与挤压方向CT试件疲劳裂纹总体沿与切口方向呈9～11o方向扩展扩展。热影响区切口垂直挤压方向CT试件的疲劳裂纹易在扩展初期即以大角度进入焊缝,并在焊缝区域向前扩展。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 选题背景和意义
  • 1.2 镁合金的焊接工艺现状
  • 1.2.1 镁合金焊接性的影响因素
  • 1.2.2 镁合金的焊接方法
  • 1.2.3 镁合金的主要焊接问题
  • 1.3 镁合金及其焊接接头疲劳断裂研究现状
  • 1.3.1 断裂力学与疲劳断裂
  • 1.3.2 镁合金断裂机制研究现状
  • 1.3.3 焊接接头断裂机制研究现状
  • 1.4 本课题研究内容及技术路线
  • 1.4.1 研究内容
  • 1.4.2 技术路线
  • 第二章 试验材料及方法
  • 2.1 引言
  • 2.2 镁合金试验材料及设备
  • 2.2.1 试验材料
  • 2.2.2 试验设备
  • 2.3 焊接试板制备
  • 2.4 试验类型及分组
  • 2.5 疲劳裂纹试验方法及数据分析方法
  • 2.5.1 a-N 曲线与da/dN-ΔK 曲线
  • 2.5.2 裂纹扩展速率的测定及试验数据处理
  • 第三章 AZ31B 镁合金疲劳裂纹扩展速率的研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 试件及试件相关参数
  • 3.3 平行挤压方向的疲劳裂纹扩展试验及数据分析
  • 3.3.1 最大载荷选取
  • 3.3.2 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 3.3.3 疲劳裂纹的扩展机理
  • 3.4 垂直挤压方向的疲劳裂纹扩展试验及数据分析
  • 3.4.1 最大载荷选取
  • 3.4.2 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 3.4.3 疲劳裂纹的扩展机理
  • 3.5 斜方向疲劳裂纹扩展试验结果及分析
  • 3.5.1 最大载荷选取
  • 3.5.2 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 3.5.3 疲劳裂纹的扩展机理
  • 3.6 AZ31B 疲劳裂纹沿不同方向扩展的对比研究
  • 3.7 小结
  • 第四章 AZ31B 镁合金焊缝疲劳裂纹扩展速率研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 试件及试件相关参数
  • 4.3 最大载荷选取
  • 4.4 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 4.5 疲劳裂纹的扩展机理
  • 4.5.1 宏观观察
  • 4.5.2 显微图片分析
  • 4.5.3 断口观察与分析
  • 4.6 小结
  • 第五章 AZ31B 镁合金焊接热影响区疲劳裂纹扩展速率研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 试件及试件相关参数
  • 5.3 平行挤压方向疲劳裂纹扩展试验结果及分析
  • 5.3.1 最大载荷选取
  • 5.3.2 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 5.3.3 疲劳裂纹的扩展机理
  • 5.4 垂直挤压方向疲劳裂纹扩展试验结果及分析
  • 5.4.1 最大载荷选取
  • 5.4.2 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 5.4.3 疲劳裂纹的扩展机理
  • 5.5 AZ31B 镁合金疲劳裂纹沿不同方向扩展的对比研究
  • 5.6 小结
  • 第六章 AZ31B镁合金焊接接头疲劳裂纹扩展速率研究
  • 6.1 前言
  • 6.2 试件制备
  • 6.3 最大载荷选取
  • 6.4 a-N 和da/dN-ΔK 曲线
  • 6.5 疲劳裂纹的扩展机理
  • 6.5.1 宏观观察
  • 6.5.2 显微图片分析
  • 6.5.3 断口观察与分析
  • 6.6 小结
  • 第七章 AZ31B 镁合金及其焊接接头疲劳裂纹扩展速率的对比研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 AZ31B 镁合金焊缝疲劳裂纹扩展与母材的对比研究
  • 7.3 AZ31B 镁合金焊接热影响区疲劳裂纹扩展与母材的对比研究
  • 7.4 AZ31B 镁合金焊接接头疲劳裂纹扩展与母材对比研究
  • 7.5 AZ31B 镁合金焊缝、热影响区的疲劳裂纹扩展对比研究
  • 7.6 小结
  • 第八章 动载荷对焊缝的加工硬化作用
  • 8.1 前言
  • 8.2 试验前硬度分布
  • 8.3 试验后硬度分布
  • 第九章 结论与展望
  • 9.1 结论
  • 9.2 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

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