基于声发射的AZ31镁合金及其焊接接头疲劳断裂行为研究

发布时间：2020-03-27 02:14

【摘要】：镁合金具有一系列优点,在航空航天、交通运载工具等领域已有多年的应用历史。近年来,汽车轻量化、环保要求的不断提高以及能源的日趋紧张进一步促进了镁合金在结构领域的应用。金属构件在服役过程中,往往承受多轴交变载荷,容易发生疲劳断裂而失效。金属结构件疲劳断裂前通常不会发生明显的塑性变形,一旦失效,后果非常严重。复杂的应力环境和断裂行为的突发性都使疲劳断裂行为的研究存在较大的难度,因此利用灵敏度和精确性较高的声发射技术研究镁合金及其焊接接头的疲劳断裂行为,对于保证结构的安全使用和运行具有重要意义。焊接技术是结构件加工制备必须的手段,作为固相连接方法之一的搅拌摩擦焊可有效避免传统镁合金熔化焊方法产生的缺陷,使得接头性能得到改善,并且焊接过程也更加环保。因此本论文采用搅拌摩擦焊对镁合金进行焊接并对其疲劳性能进行分析。论文分析了镁合金在疲劳过程中的声发射信号特征以及微观组织的演变,建立了镁合金微观损伤和宏观声发射信号之间的关系,确定了微观裂纹产生的声发射信号特征。试验表明,微裂纹产生的是突发型声发射信号,其峰值频率集中在100-200 kHz,这为材料早期疲劳失效预测提供了可靠依据。在不同应力水平下,通过材料加工硬化阶段的声发射信号累积能量值的变化对材料的疲劳极限进行了快速预测。疲劳试验结果表明,在交变载荷作用下,材料产生循环硬化,塑性变形过程中产生了大量声发射信号,对不同载荷水平下的声发射信号能量值分析发现,材料在加工硬化过程中产生的声发射信号累计能量值随载荷增加而增加。根据材料加载过程中的能量耗散理论建立起疲劳极限预测模型。不同载荷下的累积能量值疲劳极限为97 MPa,与传统的S-N曲线测得镁合金的疲劳极限(90.43 MPa)相比,误差为8%。利用声发射技术对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头的疲劳断裂行为进行了研究,实现了对微观损伤的定位。结果发现在循环载荷下,镁合金搅拌摩擦焊接头疲劳损伤首先在前进侧热影响区累积,并且最后断裂在前进侧热影响区。通过EBSD对焊接接头的微观组织进行研究,发现前进侧热影响区组织较为粗大,硬度较低,力学性能较差。采用声发射技术对焊接接头的研究结果和传统结论吻合良好,实现了搅拌摩擦焊焊接接头在加载过程中的微观损伤的原位监测,为镁合金搅拌摩擦焊焊接接头的研究提供了更为直观准确的途径。
【图文】：

示意图,搅拌摩擦焊,焊接过程,示意图

合金及其 FSW 接头的安全应用提供理论依据，具有重要意SW 研究进展材料应用过程中的一项重要技术，对于镁合金而言通过传统能优良的焊接接头。FSW 是一种高效率、低能耗的固相连术相比，FSW 在焊接过程中无需气体保护、无需填充焊丝污染[19]。通过 FSW 焊接镁合金可以有效避免气孔和裂纹等接接头的质量，满足了镁合金焊接接头的使用要求[20-22]。接原理如图 1-1 所示，在焊接过程中，通过搅拌针与试样的下压作用使焊接区域金属软化，同时搅拌头沿焊接方向前进材料的连接[23]。

示意图,旋转层,流线,沉积距离

太原理工大学硕士研究生学位论文连接工艺(搅拌头旋转的同时沿焊接方向移动)使得焊核两侧的热影响区性能存程度的差异。如图 1-2 所示，Schmidt 等人首次采用薄铜片作为标记材料对 AA铝合金板材 FSW 接头材料的流动性进行了研究[23]，发现在搅拌头的作用下，F前进侧(AS)和后退侧(RS)的旋转层和过渡层存在明显差异，这导致了焊核两侧热性能的明显差异。为进一步研究 AZ31 镁合金 FSW 接头性能，本课题组通过红法对 FSW 接头疲劳断裂性能进行研究，结果表明在加载过程中，AS 出现了更加温度变化，如图 1-3 所示[24]。已有研究结果表明，在疲劳断裂过程中，断裂位置AS，然而具体的裂纹起裂位置以及 FSW 接头疲劳过程中的损伤累积情况还未得的研究。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG407

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