A7N01S-T5铝合金MIG焊接头力学性能与应力腐蚀行为的研究

发布时间：2017-08-29 22:02

  本文关键词：A7N01S-T5铝合金MIG焊接头力学性能与应力腐蚀行为的研究

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【摘要】：高强度铝合金作为轻量化材料,已广泛应用于高速列车、地铁和轻轨等。A7N01S-T5铝合金作为高速列车用新型材料,主要用于列车底座缓冲器、牵引梁等受力关键部位。由于列车运行环境的多变性和复杂性,铝合金焊接后的力学行为成为焊接结构稳定性和有效性的关键。本文主要研究A7N01S-T5铝合金焊接接头的组织、静力学性能、冲击韧性以及高频低载下的疲劳行为,并深入分析了焊接接头的应力腐蚀行为和腐蚀机理,对高速列车运行的安全性及焊接材料的开发具有一定的理论和现实意义。采用MIG焊接方法进行焊接,将焊接接头加工成标准试样,进行组织、冲击韧性、疲劳失效机理和应力腐蚀行为的研究。利用MTS810伺服材料试验设备、半自动冲击设备、高频疲劳试验设备对试样进行力学破坏试验,并利用慢应变速率试验机对接头试样进行应力腐蚀试验；利用金相技术(OM)、X射线衍射(XRD)、电子扫描(SEM)与能谱(EDS)相结合等先进检测分析方法,对试样微观结构、失效机理、断口形貌及物相成分等深入分析。试验分析表明,焊接接头存在严重组织不均匀性,熔合区与热影响区是力学性能最差的区域。焊缝区组织主要为等轴树枝晶,主要强化相α(Mg2Al)相和β(Mg2Al3)发生部分溶解。熔合区与热影响区内形成粗大柱状晶,熔合区内η相(MgZn2)在晶界处出现团聚现象,以球状固溶于铝基体内。热影响区内出现了无沉淀析出区域,母材区强化相分布均匀。硬度测试结果表明,焊缝区与熔合区硬度低于其他位置,在熔合区靠近热影响区处硬度最低(70HV)。静拉伸试验分析得出,焊接系数仅为67%,抗拉强度下降了37%。焊接接头断裂于熔合区,氢气孔和脆性杂质为裂纹源。冲击试验结果表明,在瞬间冲击载荷作用下焊缝区的韧性最好,冲击断裂能是32.3J,而热影响区的最差,断裂能仅为24.2J。原因是晶粒粗化效应与位错运动的速率瞬间增加,低熔点共晶形成的薄膜是影响焊缝区与热影响区耐冲击的重要因素。疲劳试验结果表明,焊接接头与母材的疲劳寿命随应力幅值的升高呈下降趋势,焊趾与熔合区成为接头疲劳断裂的薄弱位置。位错在晶界处的塞积、杂质相与脆性相在晶界处的偏析以及细小未共格或半共格第二相质点切断后形成的无沉淀区促进了裂纹的形成。极化和应力腐蚀试验表明,焊接接头的腐蚀电压和腐蚀电流密度分别达到了-1324mV和0.03mA/cm2,自腐蚀敏感性高于母材。腐蚀环境下,材料内部的强化相失去强化作用。当应变速率升高时,接头与母材的断裂吸收功降低,强度损失和塑性损失增加。腐蚀环境下接头应变速率在5×10-6mm/S时,A7N01S-T5接头的应力腐蚀开始加剧。在应变速率9×10-6mm/s下,腐蚀环境下的接头力学性能出现了最低,应力腐蚀敏感指数达到了0.42,腐蚀最严重。A7N01S-T5焊接接头的SCC机理是母材与接头均通过表层钝化膜的滑移形成点蚀,以应变和腐蚀介质为源动力,产生的氢气随腐蚀介质侵入,加速裂纹脆化扩展。母材内晶界处粗化偏析强化相以阳极优先于母材溶解,形成晶间腐蚀隧道。强化相种类及含量不同,导致在腐蚀介质下焊缝区与热影响区共同形成腐蚀微电池。腐蚀断裂于焊缝区靠近热影响区处,焊缝区作为阳极首先溶解形成蚀坑。腐蚀溶解导致强化相含量及合金元素浓度的变化,在热影响区内形成多电位系统,基体与强化相交替腐蚀溶解,形成晶界腐蚀隧道与腐蚀环,直到材料发生腐蚀断裂。
【关键词】：A7N01S-T5 MIG焊接头 力学性能 冲击韧性 应力腐蚀裂纹机理
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.14
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-29
• 1.1 选题背景11-14
• 1.1.1 高速列车在国内外的发展概况11-13
• 1.1.2 高速列车用铝合金的发展概况13-14
• 1.2 高速列车铝合金焊接接头的国内外研究概况14-27
• 1.2.1 高速列车用铝合金接头力学性能与组织研究14-19
• 1.2.2 高速列车用铝合金焊缝疲劳寿命的研究19-23
• 1.2.3 高速列车用铝合金焊缝应力腐蚀行为的研究23-27
• 1.3 选题意义及主要研究内容27-29
• 1.3.1 本课题研究的意义27
• 1.3.2 本课题研究的主要内容27-29
• 2 焊接工艺与试验方案29-41
• 2.1 铝合金系列与焊接材料29-30
• 2.1.1 铝合金牌号分类29
• 2.1.2 焊接材料29-30
• 2.2 焊接方法与焊接工艺30-35
• 2.2.1 铝合金焊接性30-31
• 2.2.2 铝合金焊接方法的选择31-32
• 2.2.3 焊接设备与焊接工艺32-35
• 2.3 A7N01S-T5焊接接头组织与力学性能试验35-40
• 2.3.1 A7N01S-T5焊缝金相组织观察35-36
• 2.3.2 A7N01S-T5焊缝显微硬度测试与静拉伸试验36-37
• 2.3.3 A7N01S-T5焊接接头的冲击韧性试验37-38
• 2.3.4 A7N01S-T5焊接接头疲劳寿命试验38-39
• 2.3.5 A7N01S-T5焊接接头应力腐蚀试验39-40
• 2.4 本章小结40-41
• 3 A7N01S-T5焊缝力学行为分析41-52
• 3.1 前言41
• 3.2 A7N01S-T5焊接接头金相组织分析41-46
• 3.3 A7N01S-T5焊接接头硬度与静拉伸试验分析46-51
• 3.3.1 A7N01S-T5焊接接头硬度分析46-48
• 3.3.2 A7N01S-T5焊接接头静拉伸试验力学行为分析48-51
• 3.4 本章小结51-52
• 4 A7N01S-T5焊缝的冲击韧性试验研究52-63
• 4.1 前言52
• 4.2 A7N01S-T5冲击试验原理和冲击试验过程52-54
• 4.2.1 A7N01S-T5铝合金冲击试验原理52-53
• 4.2.2 A7N01S-T5铝合金冲击试验过程53-54
• 4.3 A7N01S-T5冲击试验结果与断口SEM形貌分析54-61
• 4.3.1 A7N01S-T5接头冲击韧性研究54-56
• 4.3.2 A7N01S-T5接头与母材冲击断口宏观形貌分析56-58
• 4.3.3 A7N01S-T5接头与母材断口SEM形貌分析58-60
• 4.3.4 A7N01S-T5接头与母材冲击韧性失效机理60-61
• 4.4 冲击韧性提高的方法61
• 4.5 本章小结61-63
• 5 A7N01S-T5焊接接头疲劳寿命研究63-74
• 5.1 前言63
• 5.2 疲劳的定义及划分63-64
• 5.3 A7N01S-T5焊接接头疲劳寿命曲线分析64-67
• 5.4 A7N01S-T5及焊接接头断口疲劳分析67-72
• 5.4.1 A7N01 S-T5及焊接接头疲劳断口宏观分析67-68
• 5.4.2 A7N01S-T5及焊接接头疲劳断裂机理分析68-72
• 5.5 A7N01S-T5接头疲劳寿命提高途径72
• 5.6 本章小结72-74
• 6 A7N01S-T5焊接接头应力腐蚀行为研究74-87
• 6.1 前言74
• 6.2 应力腐蚀的定义74-75
• 6.3 A7N01S-T5及接头极化曲线分析75-76
• 6.4 A7N01S-T5及接头的应力腐蚀特性76-85
• 6.4.1 试验环境与应变速率对A7N01S-T5接头SCC行为的影响76-80
• 6.4.2 A7N01S-T5及MIG焊接头的SEM断口分析80-83
• 6.4.3 A7N01S-T5及MIG焊接头SCC机理83-85
• 6.5 应力腐蚀降低的方法85
• 6.6 本章小结85-87
• 结论与展望87-89
• 结论87-88
• 课题展望88-89
• 参考文献89-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士学位期间已发表(录用)论文96-97

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