基于紅外熱像法鎂合金及焊接接頭疲勞行為及評定理論研究.pdf

1、鎂合金作為實際使用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度/比剛度高、可回收再利用等優(yōu)點，在航空航天、交通運輸?shù)阮I域有著廣闊的應用前景。實際應用過程中，鎂合金及其焊接接頭往往承受動態(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結(jié)構(gòu)失效的80％以上。因此，有必要對鎂合金及其焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂機理與服役評定理論等進行研究。通常采用的疲勞評定方法對試樣形狀，試驗量等有具體要求，試驗周期較長，費用較高。紅外熱像法是一種基于能量理論對材料

2、疲勞性能進行評定的方法，理論上使用一個試樣，可對金屬材料疲勞危險點、疲勞壽命等進行預測。目前利用紅外熱像法對疲勞壽命進行預測主要應用于鋼鐵材料，本文基于紅外熱像法的特點，對鎂合金疲勞行為及其疲勞評定理論進行研究，具有重要的理論與實際意義。
　　本文以能量轉(zhuǎn)化定律為基礎，針對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，采用溫度變化對鎂合金彈性極限與結(jié)構(gòu)應力集中系數(shù)進行計算;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;對影響鎂合金疲勞載荷下的產(chǎn)熱因素進行了分析;對鎂合金斷裂危險點、疲勞壽命和裂紋擴展性能進行了預測，并將紅外熱像法應用于鎂合金焊接接頭的疲勞評定。主要研究結(jié)果如下:
　　基于熱彈性效應，鎂合金在彈性范圍拉伸時，應力與溫度變化成反比。當應力超出線性變形時，溫度演變趨勢改變。分析溫度線性變化拐點所對應的應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，采用應力集中處溫度值與均勻結(jié)構(gòu)處的溫度比Kt=Tmax/Tv，對不同結(jié)構(gòu)試樣應力集中系數(shù)進行了測定，與理論計算所得結(jié)果相關(guān)小于10％。
　　疲勞失效是一個損傷（不可逆變形）累積的過程，伴隨著能量的變化。循環(huán)應變能以溫度的形式表現(xiàn)出來。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，材料表面溫度演變可分為5個階段: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(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到平衡。疲勞加載最大應力σmax與溫度變化幅值具有線性關(guān)系;當循環(huán)應力σmax小于22.5MPa時，試樣表面溫度演化為初始溫度降低和溫度穩(wěn)定兩個階段。
　　拉伸循環(huán)載荷下鎂合金的變形是一個加工硬化過程，隨著組織的演變

6、，試樣表面溫度升高，循環(huán)次數(shù)達到104時變形速率達到平衡，隨后試樣溫度開始下降，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)熱機制及溫度演變結(jié)果表明，鎂合金高周疲勞損傷是一個非線性變形過程，宏觀上循環(huán)磁滯回線逐漸趨于穩(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鎂合金疲勞產(chǎn)熱過程進行了

7、模擬，溫度演化曲線與試驗測量結(jié)果相符。
　　采用紅外熱像法對鎂合金疲勞裂紋擴展過程中的溫度演變進行了研究。疲勞裂紋擴展過程中，溫度演變與尖端塑性變形速率有關(guān)。隨著裂紋擴展速率增加，裂紋尖端溫度變化經(jīng)過一個緩慢升溫與快速升溫的過程，在穩(wěn)定擴展階段，溫度無明顯變化?？焖贁U展階段，溫度線性上升。鎂合金溫度演變化速率與裂紋擴展速率具有相同規(guī)律，采用裂紋長度與溫度變化比值da/dT與應力強度因子ΔK建立線性關(guān)系da/dT=C0（ΔK）n，當

8、應力與裂紋長度已知時，利用單位裂紋擴展時尖端溫度變化，可以對擴展時裂紋尖端塑性區(qū)進行計算。
　　晶體學各向異性導致鎂合金疲勞過程中變形及產(chǎn)熱在不同方向產(chǎn)生差異?？棙?gòu)研究表明，板材中在擠壓過程中產(chǎn)生的織構(gòu)，對疲勞裂紋萌生及擴展過程中的變形及產(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力(CR

9、SS)較大。因而，基面織構(gòu)在兩個方向為硬取向，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展過程中，溫度變化值較大。
　　基于紅外熱像法，對鎂合金及其焊接接頭疲勞性能進行了預測，分別采用三線法，斜率法、面積法等對107時的疲勞極限進行預測;利用溫度曲線與坐標軸所圍面積計算了鎂合金剩余壽命。利用紅外熱像法計算了鎂合金材料S-N