基于红外热像法的AZ31B镁合金及其焊接接头的准静态断裂韧度研究

发布时间：2017-10-13 21:33

  本文关键词：基于红外热像法的AZ31B镁合金及其焊接接头的准静态断裂韧度研究

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【摘要】：镁合金轻质高强、性能优异，作为结构材料在工业领域中具有广泛的应用基础和广阔的应用前景。镁合金为密排六方晶格结构，仅有三个滑移系，韧性较低，应力集中较高的情况下易发生脆性断裂，容易导致工程结构应用中灾难性事故发生。断裂韧度是评价材料抵抗裂纹扩展能力的一个基本指标，在结构的设计、可靠性和安全性评价中具有重要参考价值。同时，焊接技术的快速发展拓宽了金属材料的应用范围。因此，进行镁合金及其焊接接头断裂失效方面的相关研究可以为扩展其应用提供必要的理论基础。 本文利用电子万能试验机对AZ31B镁合金及其电子束焊接接头开展了三点弯曲平面应变断裂韧度试验，比较了母材和接头的抵抗裂纹扩展的能力；试验过程中，采用红外热像仪监测记录了试样表面的温度演化，研究了AZ31B镁合金在准静态断裂过程中裂纹尖端的能量耗散。同时研究了材料挤压方向、试样尺寸、加载速率以及裂纹预制方式等因素对AZ31B镁合金断裂韧度的影响，并对断口形貌及断裂机理进行了分析。 结果表明，缺口方向垂直于和平行于挤压方向的20mm厚AZ31B镁合金板材的断裂韧度分别为15.33~16.07MPa·m1/2和14.52~16.80MPa·m1/2，20mm厚AZ31B镁合金电子束焊焊接接头的断裂韧度为11.04~12.29MPa·m1/2。可以发现，挤压方向对20mm厚AZ31B镁合金母材断裂韧度的影响并不明显，接头的断裂韧度明显低于母材，在相同条件下，AZ31B母材对裂纹扩展的阻力更大。 红外热像仪监测记录的结果表明，AZ31B镁合金断裂过程中裂纹尖端附近区域的温度演化分为三个阶段：初始稳定阶段、温度升高阶段和最终稳定阶段。温度演化是热弹性效应、裂纹尖端塑性耗散和热传递的综合作用，温度升高的热量来自于裂纹扩展过程中尖端塑性区的能量耗散。温度演化第二阶段的起始点接近于裂纹的失稳扩展点，并以此为基础提出了估算AZ31B镁合金断裂韧度的红外热像法。由红外热像法估算的缺口方向垂直于挤压方向AZ31B镁合金的断裂韧度为16.37~17.11MPa·m1/2，，与标准试验方法的相对误差小于8.50%。材料的断裂韧度和温度变化大小有很大关系，断裂韧度越大，最终温度越高。 10mm厚疲劳预裂纹AZ31B镁合金板材非标准三点弯曲试样在5mm/min的加载速率条件下的断裂韧度KC在12.35~13.06MPa·m1/2之间，平均值为12.71MPa·m1/2，低于20mm厚AZ31B镁合金板材的断裂韧度。10mm厚疲劳预裂纹AZ31B镁合金板材非标准三点弯曲试样在1mm/min的加载速率条件下的断裂韧度KC为10.86MPa·m1/2，低于同样条件下加载速率5mm/min试样的断裂韧度。10mm厚线切割加工预裂纹AZ31B镁合金板材非标准三点弯曲试样在1mm/min的加载速率条件下的断裂韧度KC在11.49~13.62MPa·m1/2之间，平均值为12.56MPa·m1/2，达到同等条件下疲劳试验机预制裂纹试样断裂韧度的116%。 断裂韧度试验结束后，试样表面裂纹附近会产生一定程度的塑性变形。AZ31B镁合金准静态断裂韧度试验中断裂方式为韧脆混合断裂，断裂韧度不同，脆性断裂特征所占比例不同，断裂韧度越小，脆断特征越明显。
【关键词】：AZ31B镁合金 红外热像法 三点弯曲 断裂韧度 电子束焊接 塑性区 能量耗散
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG407
【目录】：

• 摘要3-5
• abstract5-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 选题背景及意义11-12
• 1.2 断裂韧度概述12-18
• 1.2.1 断裂力学的发展12-13
• 1.2.2 平面应变断裂韧度13-14
• 1.2.3 断裂韧度的影响因素14-16
• 1.2.4 裂纹尖端塑性区16-18
• 1.3 镁合金断裂韧度研究现状18-19
• 1.4 红外热成像技术应用于断裂行为中的研究现状19-21
• 1.4.1 红外测温原理19-20
• 1.4.2 红外热成像技术应用于断裂行为中的研究现状20-21
• 1.5 研究内容与技术路线21-23
• 1.5.1 研究内容21-22
• 1.5.2 技术路线22-23
• 第二章 试验材料及方法23-33
• 2.1 引言23
• 2.2 试验材料与试验设备23-27
• 2.2.1 试验材料23
• 2.2.2 试验设备23-25
• 2.2.3 焊接工艺25-26
• 2.2.4 试样制备26-27
• 2.3 试验过程与试验数据处理方法27-33
• 2.3.1 预制裂纹27-28
• 2.3.2 平面应变断裂韧度三点弯曲试验28
• 2.3.3 试验数据处理方法28-33
• 第三章 AZ31B镁合金及其电子束焊接头平面应变断裂韧度33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 缺口方向垂直于挤压方向的 AZ31B 镁合金断裂韧度33-37
• 3.2.1 P-V 曲线及断裂韧度结果33-34
• 3.2.2 断口分析与断裂机理34-37
• 3.3 缺口方向平行于挤压方向的 AZ31B 镁合金断裂韧度37-40
• 3.3.1 P-V 曲线及断裂韧度结果37-39
• 3.3.2 断口分析与断裂机理39-40
• 3.4 AZ31B 镁合金电子束焊接接头断裂韧度40-45
• 3.4.1 AZ31B 镁合金电子束焊接接头组织及力学性能40-42
• 3.4.2 P-V 曲线及断裂韧度结果42-43
• 3.4.3 断口分析与断裂机理43-45
• 3.5 本章小结45-47
• 第四章 AZ31B镁合金准静态断裂过程中的温度演化47-55
• 4.1 引言47
• 4.2 断裂过程温度演化分析47-52
• 4.2.1 温度分析区域的选择47-48
• 4.2.2 温度演化分析48-51
• 4.2.3 红外热像法51-52
• 4.3 本章小结52-55
• 第五章 试验条件对 AZ31B镁合金断裂韧度的影响55-63
• 5.1 引言55
• 5.2 试样尺寸对 AZ31B 镁合金断裂韧度的影响55-57
• 5.2.1 10 mm 厚疲劳预裂纹 AZ31B 镁合金断裂韧度55-56
• 5.2.2 断口分析与断裂机理56-57
• 5.3 加载速率对 AZ31B 镁合金断裂韧度的影响57-59
• 5.3.1 不同加载速率 10 mm 厚疲劳预裂纹 AZ31B 镁合金断裂韧度57-58
• 5.3.2 断口分析与断裂机理58-59
• 5.4 裂纹预制方式对 AZ31B 镁合金断裂韧度的影响59-61
• 5.4.1 10 mm 厚线切割预裂纹 AZ31B 镁合金断裂韧度59-60
• 5.4.2 断口分析与断裂机理60-61
• 5.5 本章小结61-63
• 第六章 结论63-65
• 6.1 结论63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-71
• 致谢71-73
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 文彬羽;陈丁华;;金属材料的断裂韧性[J];科技传播;2013年01期

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3 张新明;钱晨;唐建国;仲莹莹;;初始织构对AZ31镁合金中温塑性变形的影响[J];热加工工艺;2014年02期

4 李云红;孙晓刚;杨幸芳;许冰海;;红外热像仪测温精度的理论分析[J];西安工程科技学院学报;2007年05期

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本文编号：1027194