本文關(guān)鍵詞：A7N01S-T5鋁合金MIG焊接頭力學性能與應(yīng)力腐蝕行為的研究

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【摘要】：高強度鋁合金作為輕量化材料,已廣泛應(yīng)用于高速列車、地鐵和輕軌等。A7N01S-T5鋁合金作為高速列車用新型材料,主要用于列車底座緩沖器、牽引梁等受力關(guān)鍵部位。由于列車運行環(huán)境的多變性和復(fù)雜性,鋁合金焊接后的力學行為成為焊接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和有效性的關(guān)鍵。本文主要研究A7N01S-T5鋁合金焊接接頭的組織、靜力學性能、沖擊韌性以及高頻低載下的疲勞行為,并深入分析了焊接接頭的應(yīng)力腐蝕行為和腐蝕機理,對高速列車運行的安全性及焊接材料的開發(fā)具有一定的理論和現(xiàn)實意義。采用MIG焊接方法進行焊接,將焊接接頭加工成標準試樣,進行組織、沖擊韌性、疲勞失效機理和應(yīng)力腐蝕行為的研究。利用MTS810伺服材料試驗設(shè)備、半自動沖擊設(shè)備、高頻疲勞試驗設(shè)備對試樣進行力學破壞試驗,并利用慢應(yīng)變速率試驗機對接頭試樣進行應(yīng)力腐蝕試驗；利用金相技術(shù)(OM)、X射線衍射(XRD)、電子掃描(SEM)與能譜(EDS)相結(jié)合等先進檢測分析方法,對試樣微觀結(jié)構(gòu)、失效機理、斷口形貌及物相成分等深入分析。試驗分析表明,焊接接頭存在嚴重組織不均勻性,熔合區(qū)與熱影響區(qū)是力學性能最差的區(qū)域。焊縫區(qū)組織主要為等軸樹枝晶,主要強化相α(Mg2Al)相和β(Mg2Al3)發(fā)生部分溶解。熔合區(qū)與熱影響區(qū)內(nèi)形成粗大柱狀晶,熔合區(qū)內(nèi)η相(MgZn2)在晶界處出現(xiàn)團聚現(xiàn)象,以球狀固溶于鋁基體內(nèi)。熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了無沉淀析出區(qū)域,母材區(qū)強化相分布均勻。硬度測試結(jié)果表明,焊縫區(qū)與熔合區(qū)硬度低于其他位置,在熔合區(qū)靠近熱影響區(qū)處硬度最低(70HV)。靜拉伸試驗分析得出,焊接系數(shù)僅為67%,抗拉強度下降了37%。焊接接頭斷裂于熔合區(qū),氫氣孔和脆性雜質(zhì)為裂紋源。沖擊試驗結(jié)果表明,在瞬間沖擊載荷作用下焊縫區(qū)的韌性最好,沖擊斷裂能是32.3J,而熱影響區(qū)的最差,斷裂能僅為24.2J。原因是晶粒粗化效應(yīng)與位錯運動的速率瞬間增加,低熔點共晶形成的薄膜是影響焊縫區(qū)與熱影響區(qū)耐沖擊的重要因素。疲勞試驗結(jié)果表明,焊接接頭與母材的疲勞壽命隨應(yīng)力幅值的升高呈下降趨勢,焊趾與熔合區(qū)成為接頭疲勞斷裂的薄弱位置。位錯在晶界處的塞積、雜質(zhì)相與脆性相在晶界處的偏析以及細小未共格或半共格第二相質(zhì)點切斷后形成的無沉淀區(qū)促進了裂紋的形成。極化和應(yīng)力腐蝕試驗表明,焊接接頭的腐蝕電壓和腐蝕電流密度分別達到了-1324mV和0.03mA/cm2,自腐蝕敏感性高于母材。腐蝕環(huán)境下,材料內(nèi)部的強化相失去強化作用。當應(yīng)變速率升高時,接頭與母材的斷裂吸收功降低,強度損失和塑性損失增加。腐蝕環(huán)境下接頭應(yīng)變速率在5×10-6mm/S時,A7N01S-T5接頭的應(yīng)力腐蝕開始加劇。在應(yīng)變速率9×10-6mm/s下,腐蝕環(huán)境下的接頭力學性能出現(xiàn)了最低,應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)達到了0.42,腐蝕最嚴重。A7N01S-T5焊接接頭的SCC機理是母材與接頭均通過表層鈍化膜的滑移形成點蝕,以應(yīng)變和腐蝕介質(zhì)為源動力,產(chǎn)生的氫氣隨腐蝕介質(zhì)侵入,加速裂紋脆化擴展。母材內(nèi)晶界處粗化偏析強化相以陽極優(yōu)先于母材溶解,形成晶間腐蝕隧道。強化相種類及含量不同,導(dǎo)致在腐蝕介質(zhì)下焊縫區(qū)與熱影響區(qū)共同形成腐蝕微電池。腐蝕斷裂于焊縫區(qū)靠近熱影響區(qū)處,焊縫區(qū)作為陽極首先溶解形成蝕坑。腐蝕溶解導(dǎo)致強化相含量及合金元素濃度的變化,在熱影響區(qū)內(nèi)形成多電位系統(tǒng),基體與強化相交替腐蝕溶解,形成晶界腐蝕隧道與腐蝕環(huán),直到材料發(fā)生腐蝕斷裂。
【關(guān)鍵詞】：A7N01S-T5 MIG焊接頭 力學性能 沖擊韌性 應(yīng)力腐蝕裂紋機理
【學位授予單位】：青島科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG457.14
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 緒論11-29
• 1.1 選題背景11-14
• 1.1.1 高速列車在國內(nèi)外的發(fā)展概況11-13
• 1.1.2 高速列車用鋁合金的發(fā)展概況13-14
• 1.2 高速列車鋁合金焊接接頭的國內(nèi)外研究概況14-27
• 1.2.1 高速列車用鋁合金接頭力學性能與組織研究14-19
• 1.2.2 高速列車用鋁合金焊縫疲勞壽命的研究19-23
• 1.2.3 高速列車用鋁合金焊縫應(yīng)力腐蝕行為的研究23-27
• 1.3 選題意義及主要研究內(nèi)容27-29
• 1.3.1 本課題研究的意義27
• 1.3.2 本課題研究的主要內(nèi)容27-29
• 2 焊接工藝與試驗方案29-41
• 2.1 鋁合金系列與焊接材料29-30
• 2.1.1 鋁合金牌號分類29
• 2.1.2 焊接材料29-30
• 2.2 焊接方法與焊接工藝30-35
• 2.2.1 鋁合金焊接性30-31
• 2.2.2 鋁合金焊接方法的選擇31-32
• 2.2.3 焊接設(shè)備與焊接工藝32-35
• 2.3 A7N01S-T5焊接接頭組織與力學性能試驗35-40
• 2.3.1 A7N01S-T5焊縫金相組織觀察35-36
• 2.3.2 A7N01S-T5焊縫顯微硬度測試與靜拉伸試驗36-37
• 2.3.3 A7N01S-T5焊接接頭的沖擊韌性試驗37-38
• 2.3.4 A7N01S-T5焊接接頭疲勞壽命試驗38-39
• 2.3.5 A7N01S-T5焊接接頭應(yīng)力腐蝕試驗39-40
• 2.4 本章小結(jié)40-41
• 3 A7N01S-T5焊縫力學行為分析41-52
• 3.1 前言41
• 3.2 A7N01S-T5焊接接頭金相組織分析41-46
• 3.3 A7N01S-T5焊接接頭硬度與靜拉伸試驗分析46-51
• 3.3.1 A7N01S-T5焊接接頭硬度分析46-48
• 3.3.2 A7N01S-T5焊接接頭靜拉伸試驗力學行為分析48-51
• 3.4 本章小結(jié)51-52
• 4 A7N01S-T5焊縫的沖擊韌性試驗研究52-63
• 4.1 前言52
• 4.2 A7N01S-T5沖擊試驗原理和沖擊試驗過程52-54
• 4.2.1 A7N01S-T5鋁合金沖擊試驗原理52-53
• 4.2.2 A7N01S-T5鋁合金沖擊試驗過程53-54
• 4.3 A7N01S-T5沖擊試驗結(jié)果與斷口SEM形貌分析54-61
• 4.3.1 A7N01S-T5接頭沖擊韌性研究54-56
• 4.3.2 A7N01S-T5接頭與母材沖擊斷口宏觀形貌分析56-58
• 4.3.3 A7N01S-T5接頭與母材斷口SEM形貌分析58-60
• 4.3.4 A7N01S-T5接頭與母材沖擊韌性失效機理60-61
• 4.4 沖擊韌性提高的方法61
• 4.5 本章小結(jié)61-63
• 5 A7N01S-T5焊接接頭疲勞壽命研究63-74
• 5.1 前言63
• 5.2 疲勞的定義及劃分63-64
• 5.3 A7N01S-T5焊接接頭疲勞壽命曲線分析64-67
• 5.4 A7N01S-T5及焊接接頭斷口疲勞分析67-72
• 5.4.1 A7N01 S-T5及焊接接頭疲勞斷口宏觀分析67-68
• 5.4.2 A7N01S-T5及焊接接頭疲勞斷裂機理分析68-72
• 5.5 A7N01S-T5接頭疲勞壽命提高途徑72
• 5.6 本章小結(jié)72-74
• 6 A7N01S-T5焊接接頭應(yīng)力腐蝕行為研究74-87
• 6.1 前言74
• 6.2 應(yīng)力腐蝕的定義74-75
• 6.3 A7N01S-T5及接頭極化曲線分析75-76
• 6.4 A7N01S-T5及接頭的應(yīng)力腐蝕特性76-85
• 6.4.1 試驗環(huán)境與應(yīng)變速率對A7N01S-T5接頭SCC行為的影響76-80
• 6.4.2 A7N01S-T5及MIG焊接頭的SEM斷口分析80-83
• 6.4.3 A7N01S-T5及MIG焊接頭SCC機理83-85
• 6.5 應(yīng)力腐蝕降低的方法85
• 6.6 本章小結(jié)85-87
• 結(jié)論與展望87-89
• 結(jié)論87-88
• 課題展望88-89
• 參考文獻89-95
• 致謝95-96
• 攻讀碩士學位期間已發(fā)表(錄用)論文96-97

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