搅拌摩擦焊接接头的损伤累积规律的研究

发布时间：2017-06-27 23:16

  本文关键词：搅拌摩擦焊接接头的损伤累积规律的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：搅拌摩擦焊(FSW)作为固相焊接技术中的一种,在铝合金的焊接方面有着较大的优势。本文以提高焊接接头的疲劳性能为核心,从母材、接头形式、焊接缺陷、组织结构以及疲劳载荷等因素对试样的疲劳强度以及寿命的影响规律进行研究,该研究结果将为推广和应用搅拌摩擦焊接技术以及建立合理有效的疲劳评定规范提供重要的理论依据。本文使用高频疲劳试验机对铁路用5083和6061铝合金搅拌摩擦焊对接、搭接接头以及母材疲劳试样进行了试验,并采用了单点法、升降法与成组法对试验数据进行了处理,根据可靠性理论分别求出了焊接接头在置信度r=90%时,存活率为p=99%,90%,50%的p-S-N曲线。疲劳试验表明,对接接头的疲劳性能明显要好于搭接接头。在短寿命区,塑性较好的铝合金材料有着更好的疲劳性能；而在长寿区,母材的性能对搅拌摩擦焊接头疲劳性能影响不是太明显；搅拌摩擦焊接缺陷对接头的疲劳性能影响显著。金相试验发现,搅拌摩擦焊搭接和对接接头均可分为四个区域,即母材区、热影响区、热机影响区以及焊核区。其中焊核区的组织为细小、均匀的等轴晶粒,而热机影响区的晶粒受到了搅拌的作用发生了较大变形,热影响区的晶粒最为粗大；对接接头由于其焊缝根部的特殊性,会产生特殊的根部缺陷；而搭接接头则在焊缝的搭接面处存在着较为严重的弱连接或者“钩状”缺陷,这些缺陷在接头处产生了严重的应力集中,降低了接头的疲劳性能。断口扫描分析发现,铝合金5083与6061铝合金试样断口较平整,所有铝合金的裂纹源区均位于焊缝中易于引起应力集中的缺陷或含有强化相的位置。瞬断区均含有韧窝,表明断裂方式为塑性断裂。本文研究了搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳损伤累积特性,在损伤曲线法的基础上,提出了非线性疲劳累积损伤模型以及参数拟合算法。通过对5083铝合金对接接头三级加载试验数据进行验证,新模型计算精度相比线性损伤模型更具有优越性,说明这一模型具有较好的预测精度和工程实用价值。
【关键词】：搅拌摩擦焊 疲劳强度 p-S-N曲线 疲劳断裂 显微组织 损伤累积
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 选题背景与工程意义11-12
• 1.2 搅拌摩擦焊12-15
• 1.2.1 焊接原理12-13
• 1.2.2 工艺特点13-15
• 1.3 铝合金FSW疲劳行为研究现状15-18
• 1.3.1 接头形式15-16
• 1.3.2 工艺参数16
• 1.3.3 母材16-17
• 1.3.4 循环应力比17
• 1.3.5 焊接缺陷17-18
• 1.4 本文主要研究的内容与方法18-21
• 2 试验材料以及试验方法21-29
• 2.1 试验材料21-22
• 2.2 疲劳试验22-25
• 2.2.1 试验设备和数据采集系统22
• 2.2.2 试验加载条件22-23
• 2.2.3 疲劳试样的制备23-25
• 2.2.4 疲劳试验方法25
• 2.3 疲劳试样断口扫描25-26
• 2.3.1 试样制备25-26
• 2.3.2 疲劳断口分析设备26
• 2.3.3 疲劳断口分析方法26
• 2.4 金相试验26-28
• 2.4.1 试样的制备26-27
• 2.4.2 试验方法27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 铝合金FSW对接和搭接接头疲劳性能试验研究29-65
• 3.1 材料的疲劳极限及其测定方法29-32
• 3.1.1 疲劳极限29-30
• 3.1.2 材料疲劳极限与抗拉强度之间的关系30-31
• 3.1.3 疲劳极限的测定方法31-32
• 3.2 p-S-N曲线及其测定方法32-39
• 3.2.1 S-N曲线32-34
• 3.2.2 p-S-N曲线34-35
• 3.2.3 p-S-N曲线的绘制方法35-38
• 3.2.4 异常数据处理38-39
• 3.3 疲劳性能试验数据处理39-45
• 3.3.1 单点法试验及数据处理39-40
• 3.3.2 升降法试验及数据处理40-42
• 3.3.3 成组法试验及数据处理42-45
• 3.4 疲劳试验结果45-56
• 3.4.1 五系搭接试样疲劳试验数据及处理结果45-47
• 3.4.2 五系对接试样疲劳试验数据及处理结果47-49
• 3.4.3 六系母材试样疲劳试验数据及处理结果49-52
• 3.4.4 六系搭接试样疲劳试验数据及处理结果52-54
• 3.4.5 六系对接试样疲劳试验数据及处理结果54-56
• 3.5 疲劳试验结果分析56-62
• 3.5.1 母材的影响57-59
• 3.5.2 接头形式的影响59-60
• 3.5.3 焊接缺陷的影响60-62
• 3.6 本章小结62-65
• 4 铝合金FSW接头显微组织及疲劳断口分析65-79
• 4.1 铝合金FSW接头宏观组织形貌65-68
• 4.1.1 “洋葱环”、凸台以及飞边65-67
• 4.1.2 其它焊接缺陷67-68
• 4.2 铝合金FSW接头显微组织分析68-70
• 4.2.1 铝合金FSW搭接接头微观组织分析68-69
• 4.2.2 铝合金FSW对接接头微观组织分析69-70
• 4.3 疲劳断口分析70-77
• 4.3.1 疲劳断口宏观形貌70-73
• 4.3.2 疲劳断口扫描电镜研究73-77
• 4.4 本章小结77-79
• 5 铝合金FSW对接接头疲劳损伤规律研究79-89
• 5.1 Miner线性疲劳累积损伤模型简介79-80
• 5.2 非线性疲劳累积损伤模型80-87
• 5.2.1 非线性疲劳累积损伤模型的提出81-83
• 5.2.2 模型的验证83-86
• 5.2.3 模型的扩展86-87
• 5.3 本章小结87-89
• 6 总结与展望89-93
• 6.1 论文的主要结论89-90
• 6.2 论文的后期展望90-93
• 参考文献93-97
• 附录A97
• 附录B97-99
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果99-103
• 学位论文数据集103

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