發(fā)布時間：2020-03-27 02:14

【摘要】：鎂合金具有一系列優(yōu)點(diǎn),在航空航天、交通運(yùn)載工具等領(lǐng)域已有多年的應(yīng)用歷史。近年來,汽車輕量化、環(huán)保要求的不斷提高以及能源的日趨緊張進(jìn)一步促進(jìn)了鎂合金在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。金屬構(gòu)件在服役過程中,往往承受多軸交變載荷,容易發(fā)生疲勞斷裂而失效。金屬結(jié)構(gòu)件疲勞斷裂前通常不會發(fā)生明顯的塑性變形,一旦失效,后果非常嚴(yán)重。復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境和斷裂行為的突發(fā)性都使疲勞斷裂行為的研究存在較大的難度,因此利用靈敏度和精確性較高的聲發(fā)射技術(shù)研究鎂合金及其焊接接頭的疲勞斷裂行為,對于保證結(jié)構(gòu)的安全使用和運(yùn)行具有重要意義。焊接技術(shù)是結(jié)構(gòu)件加工制備必須的手段,作為固相連接方法之一的攪拌摩擦焊可有效避免傳統(tǒng)鎂合金熔化焊方法產(chǎn)生的缺陷,使得接頭性能得到改善,并且焊接過程也更加環(huán)保。因此本論文采用攪拌摩擦焊對鎂合金進(jìn)行焊接并對其疲勞性能進(jìn)行分析。論文分析了鎂合金在疲勞過程中的聲發(fā)射信號特征以及微觀組織的演變,建立了鎂合金微觀損傷和宏觀聲發(fā)射信號之間的關(guān)系,確定了微觀裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征。試驗(yàn)表明,微裂紋產(chǎn)生的是突發(fā)型聲發(fā)射信號,其峰值頻率集中在100-200 kHz,這為材料早期疲勞失效預(yù)測提供了可靠依據(jù)。在不同應(yīng)力水平下,通過材料加工硬化階段的聲發(fā)射信號累積能量值的變化對材料的疲勞極限進(jìn)行了快速預(yù)測。疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明,在交變載荷作用下,材料產(chǎn)生循環(huán)硬化,塑性變形過程中產(chǎn)生了大量聲發(fā)射信號,對不同載荷水平下的聲發(fā)射信號能量值分析發(fā)現(xiàn),材料在加工硬化過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號累計能量值隨載荷增加而增加。根據(jù)材料加載過程中的能量耗散理論建立起疲勞極限預(yù)測模型。不同載荷下的累積能量值疲勞極限為97 MPa,與傳統(tǒng)的S-N曲線測得鎂合金的疲勞極限(90.43 MPa)相比,誤差為8%。利用聲發(fā)射技術(shù)對AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的疲勞斷裂行為進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)了對微觀損傷的定位。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在循環(huán)載荷下,鎂合金攪拌摩擦焊接頭疲勞損傷首先在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)累積,并且最后斷裂在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)。通過EBSD對焊接接頭的微觀組織進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)組織較為粗大,硬度較低,力學(xué)性能較差。采用聲發(fā)射技術(shù)對焊接接頭的研究結(jié)果和傳統(tǒng)結(jié)論吻合良好,實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊焊接接頭在加載過程中的微觀損傷的原位監(jiān)測,為鎂合金攪拌摩擦焊焊接接頭的研究提供了更為直觀準(zhǔn)確的途徑。
【圖文】：

合金及其 FSW 接頭的安全應(yīng)用提供理論依據(jù)，具有重要意SW 研究進(jìn)展材料應(yīng)用過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，對于鎂合金而言通過傳統(tǒng)能優(yōu)良的焊接接頭。FSW 是一種高效率、低能耗的固相連術(shù)相比，F(xiàn)SW 在焊接過程中無需氣體保護(hù)、無需填充焊絲污染[19]。通過 FSW 焊接鎂合金可以有效避免氣孔和裂紋等接接頭的質(zhì)量，滿足了鎂合金焊接接頭的使用要求[20-22]。接原理如圖 1-1 所示，在焊接過程中，通過攪拌針與試樣的下壓作用使焊接區(qū)域金屬軟化，同時攪拌頭沿焊接方向前進(jìn)材料的連接[23]。

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文連接工藝(攪拌頭旋轉(zhuǎn)的同時沿焊接方向移動)使得焊核兩側(cè)的熱影響區(qū)性能存程度的差異。如圖 1-2 所示，Schmidt 等人首次采用薄銅片作為標(biāo)記材料對 AA鋁合金板材 FSW 接頭材料的流動性進(jìn)行了研究[23]，發(fā)現(xiàn)在攪拌頭的作用下，F(xiàn)前進(jìn)側(cè)(AS)和后退側(cè)(RS)的旋轉(zhuǎn)層和過渡層存在明顯差異，這導(dǎo)致了焊核兩側(cè)熱性能的明顯差異。為進(jìn)一步研究 AZ31 鎂合金 FSW 接頭性能，本課題組通過紅法對 FSW 接頭疲勞斷裂性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明在加載過程中，AS 出現(xiàn)了更加溫度變化，如圖 1-3 所示[24]。已有研究結(jié)果表明，在疲勞斷裂過程中，斷裂位置AS，然而具體的裂紋起裂位置以及 FSW 接頭疲勞過程中的損傷累積情況還未得的研究。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG407

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本文編號：2602306