基于紅外熱像法鎂合金及焊接接頭疲勞行為及評(píng)定理論研究.pdf

1、鎂合金作為實(shí)際使用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度/比剛度高、可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鎂合金及其焊接接頭往往承受動(dòng)態(tài)載荷尤其是循環(huán)載荷的作用，研究發(fā)現(xiàn)疲勞造成的斷裂失效占整個(gè)結(jié)構(gòu)失效的80％以上。因此，有必要對(duì)鎂合金及其焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂機(jī)理與服役評(píng)定理論等進(jìn)行研究。通常采用的疲勞評(píng)定方法對(duì)試樣形狀，試驗(yàn)量等有具體要求，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高。紅外熱像法是一種基于能量理論對(duì)材料

2、疲勞性能進(jìn)行評(píng)定的方法，理論上使用一個(gè)試樣，可對(duì)金屬材料疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)、疲勞壽命等進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前利用紅外熱像法對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)主要應(yīng)用于鋼鐵材料，本文基于紅外熱像法的特點(diǎn)，對(duì)鎂合金疲勞行為及其疲勞評(píng)定理論進(jìn)行研究，具有重要的理論與實(shí)際意義。
　　本文以能量轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)，針對(duì)AZ31B鎂合金材料，研究了拉伸和高周疲勞載荷下，試樣表面的溫度演變規(guī)律;基于熱彈性效應(yīng)，采用溫度變化對(duì)鎂合金彈性極限與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算;基于材料不可逆

3、變形與組織演變規(guī)律，分析了鎂合金高周疲勞產(chǎn)熱機(jī)理;利用裂紋尖端變形及溫度的演變，分析鎂合金裂紋尖端塑性區(qū)的演變規(guī)律;對(duì)影響鎂合金疲勞載荷下的產(chǎn)熱因素進(jìn)行了分析;對(duì)鎂合金斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)、疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并將紅外熱像法應(yīng)用于鎂合金焊接接頭的疲勞評(píng)定。主要研究結(jié)果如下:
　　基于熱彈性效應(yīng)，鎂合金在彈性范圍拉伸時(shí)，應(yīng)力與溫度變化成反比。當(dāng)應(yīng)力超出線(xiàn)性變形時(shí)，溫度演變趨勢(shì)改變。分析溫度線(xiàn)性變化拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力可以得到材料的彈

4、性極限;利用彈性范圍內(nèi)的溫度變化規(guī)律，采用應(yīng)力集中處溫度值與均勻結(jié)構(gòu)處的溫度比Kt=Tmax/Tv，對(duì)不同結(jié)構(gòu)試樣應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，與理論計(jì)算所得結(jié)果相關(guān)小于10％。
　　疲勞失效是一個(gè)損傷（不可逆變形）累積的過(guò)程，伴隨著能量的變化。循環(huán)應(yīng)變能以溫度的形式表現(xiàn)出來(lái)。與鋼鐵等材料疲勞溫度演變不同，鎂合金在高于疲勞極限(σmax大于110MPa)加載時(shí)，材料表面溫度演變可分為5個(gè)階段:初始溫升階段（階段Ⅰ）、溫度下降階段（階段Ⅱ

5、）、溫度平衡階段（階段Ⅲ）、斷裂時(shí)的溫度快速升高階段（階段Ⅳ）和斷后降溫階段（階段V）;鎂合金板材在低于疲勞極限加載時(shí)(σmax為110-25MPa)，溫度總體在初始溫度范圍內(nèi)變化，隨著載荷升高，溫度有小幅度升高而后達(dá)到平衡。疲勞加載最大應(yīng)力σmax與溫度變化幅值具有線(xiàn)性關(guān)系;當(dāng)循環(huán)應(yīng)力σmax小于22.5MPa時(shí)，試樣表面溫度演化為初始溫度降低和溫度穩(wěn)定兩個(gè)階段。
　　拉伸循環(huán)載荷下鎂合金的變形是一個(gè)加工硬化過(guò)程，隨著組織的演變

6、，試樣表面溫度升高，循環(huán)次數(shù)達(dá)到104時(shí)變形速率達(dá)到平衡，隨后試樣溫度開(kāi)始下降，下降至一定值后穩(wěn)定。鎂合金在快速變形階段(stageⅠ)，微觀組織以孿生為主，平衡變形階段(stageⅢ)以位錯(cuò)滑移為主。采用塑性損傷模型分析鎂合金高周疲勞載荷下的產(chǎn)熱機(jī)制及溫度演變結(jié)果表明，鎂合金高周疲勞損傷是一個(gè)非線(xiàn)性變形過(guò)程，宏觀上循環(huán)磁滯回線(xiàn)逐漸趨于穩(wěn)定，變形速率降低。采用ABAQUS有限元軟件基于塑性損傷模型與熱力耦合單元對(duì)鎂合金疲勞產(chǎn)熱過(guò)程進(jìn)行了

7、模擬，溫度演化曲線(xiàn)與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相符。
　　采用紅外熱像法對(duì)鎂合金疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的溫度演變進(jìn)行了研究。疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，溫度演變與尖端塑性變形速率有關(guān)。隨著裂紋擴(kuò)展速率增加，裂紋尖端溫度變化經(jīng)過(guò)一個(gè)緩慢升溫與快速升溫的過(guò)程，在穩(wěn)定擴(kuò)展階段，溫度無(wú)明顯變化?？焖贁U(kuò)展階段，溫度線(xiàn)性上升。鎂合金溫度演變化速率與裂紋擴(kuò)展速率具有相同規(guī)律，采用裂紋長(zhǎng)度與溫度變化比值da/dT與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK建立線(xiàn)性關(guān)系da/dT=C0（ΔK）n，當(dāng)

8、應(yīng)力與裂紋長(zhǎng)度已知時(shí)，利用單位裂紋擴(kuò)展時(shí)尖端溫度變化，可以對(duì)擴(kuò)展時(shí)裂紋尖端塑性區(qū)進(jìn)行計(jì)算。
　　晶體學(xué)各向異性導(dǎo)致鎂合金疲勞過(guò)程中變形及產(chǎn)熱在不同方向產(chǎn)生差異?？棙?gòu)研究表明，板材中在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的織構(gòu)，對(duì)疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展過(guò)程中的變形及產(chǎn)熱行為產(chǎn)生影響。AZ31B鎂合金板材變形后主要形成{0002}<2(1)(1)0>和{0002}<10(1)0>兩種基面織構(gòu)。在擠壓方向和橫向的Schmid因子均為零，滑移所需臨界剪切應(yīng)力(CR

9、SS)較大。因而，基面織構(gòu)在兩個(gè)方向?yàn)橛踩∠?，不易發(fā)生變形。非基面滑移系在擠壓方向和橫向的取向因子不同，其中mED＞mTD;擠壓方向塑性變形較容易。因此，相同載荷下擠壓方向試樣在疲勞加載初期及裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，溫度變化值較大。
　　基于紅外熱像法，對(duì)鎂合金及其焊接接頭疲勞性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分別采用三線(xiàn)法，斜率法、面積法等對(duì)107時(shí)的疲勞極限進(jìn)行預(yù)測(cè);利用溫度曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸所圍面積計(jì)算了鎂合金剩余壽命。利用紅外熱像法計(jì)算了鎂合金材料S-N