MB8變形鎂合金母材及焊接接頭超高周疲勞性能研究.pdf

1、隨著汽車及鐵路機車車輛高速化和高齡化時代的到來，長期服役的零部件需要了解其在超長壽命下的疲勞性能。然而，對于鎂合金及其焊接接頭疲勞的研究主要集中在低周疲勞和高周疲勞，涉及鎂合金及其焊接接頭的超高周疲勞研究論文寥寥無幾。因此，面對交通運輸領(lǐng)域的新需求，有必要對鎂合金及其焊接接頭的超高周疲勞性能開展更深入細致的研究。論文首先對MB8變形鎂合金超聲疲勞試樣進行解析計算和有限元分析，探討超聲疲勞試樣的形狀、尺寸與共振的基本規(guī)律及其優(yōu)化方法。之后

2、，對MB8變形鎂合金母材、焊接接頭、無余高焊接接頭進行金相組織觀察、靜載力學性能檢測、超聲疲勞試驗、疲勞裂紋萌生及擴展光學顯微鏡觀察、疲勞斷口掃描電鏡觀察以及應力集中有限元模擬仿真。探討MB8變形鎂合金母材、焊接接頭、無余高焊接接頭超高周疲勞S-N曲線特征和疲勞斷裂機理，分析焊接過程、缺口效應對MB8變形鎂合金超高周疲勞性能的影響。結(jié)果表明：
　?。?）超聲疲勞試樣的形狀、尺寸與共振的基本規(guī)律及其優(yōu)化方法
　　對于形狀規(guī)則的

3、母材超聲疲勞試樣，可通過解析推導方式計算出試樣各尺寸。對于形狀不規(guī)則的焊接接頭超聲疲勞試樣，需要通過有限元方法進行模擬分析。通過模擬計算可知焊接接頭超聲疲勞試樣具有如下規(guī)律：當余高放在焊接接頭試樣側(cè)面時，對試樣一階固有頻率無影響；當余高放在焊接接頭試樣正面時，試樣的一階固有頻率隨著焊縫余高高度的增大呈非線性增加，且隨著余高寬度的增加呈線性增加；當焊縫余高引起試樣一階固有頻率變化時，可以通過改變諧振長度來調(diào)節(jié)試樣的一階固有頻率，諧振長度對

4、其影響規(guī)律為線性。
　?。?）母材金屬的超高周疲勞S-N曲線特征和疲勞失效機理
　　MB8變形鎂合金母材的超高周疲勞S-N曲線呈連續(xù)下降的趨勢，不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限。其S-N曲線方程為lg(△σ)=2.45187-0.06513lgN。在1×107循環(huán)周次下的條件疲勞極限為104.99MPa。MB8變形鎂合金軋制板材的疲勞比為0.30，與其它變形鎂合金相比，其超高周疲勞性能偏差。MB8變形鎂合金板材疲勞機理為應力腐蝕疲

5、勞，疲勞裂紋起源于試樣表面腐蝕坑。在初始擴展區(qū)，腐蝕對疲勞裂紋擴展有明顯影響。在中期擴展區(qū)，斷口形貌具有穿晶解理特征，疲勞裂紋以穿晶方式擴展。在后期擴展區(qū)，斷口形貌含有糖塊狀花樣和少量穿晶解理臺階，疲勞裂紋以沿晶方式擴展為主，并伴隨少量的穿晶擴展。
　?。?）焊接接頭的超高周疲勞S-N曲線特征和疲勞失效機理
　　MB8變形鎂合金焊接接頭的母材和焊縫區(qū)強度較低，熱影響區(qū)的強度相對較高。MB8變形鎂合金焊接接頭的超高周疲勞 S-

6、N曲線存在疲勞極限，其疲勞極限為35.2MPa。在高周階段，其S-N曲線方程為lg(△σ)=2.8559-0.17641lgN。焊接接頭的疲勞強度系數(shù)為0.398。疲勞裂紋萌生于焊接接頭的焊趾處，該處組織分布不均勻，同時又存在較高的應力集中，使該處表面晶粒的滑移帶“擠入”與“擠出”，形成初始疲勞裂紋。在初始擴展區(qū)，斷口形貌為隨機取向的穿晶解理臺階，疲勞裂紋以穿晶方式擴展。在過渡擴展區(qū)，斷口形貌為糖塊狀花樣和少量穿晶解理臺階，疲勞裂紋以沿

7、晶擴展為主，以少量的穿晶擴展為輔。在粗晶擴展區(qū)，斷口形貌僅存在糖塊狀花樣，疲勞裂紋沿著熱影響區(qū)的過熱粗晶的晶界擴展。在柱狀晶擴展區(qū)，斷口形貌為長條糖塊狀花樣，疲勞裂紋沿著焊縫柱狀晶的晶界擴展。
　?。?）無余高焊接接頭的超高周疲勞S-N曲線特征和疲勞失效機理
　　MB8變形鎂合金無余高焊接接頭的S-N曲線同樣也存在著疲勞極限，其疲勞極限為40.6Mpa。在高周階段，其S-N曲線方程為lg(△σ)=2.7398-0.139lg

8、N。其疲勞強度系數(shù)為0.556。疲勞裂紋起源于焊縫余高磨平后所暴露出來的柱狀晶，在交變應力作用下，滑移帶“擠入”與“擠出”形成疲勞裂紋源，裂紋沿著與主應力成45°方向擴展，擴展至柱狀晶晶界后，沿著柱狀晶的晶界擴展。與焊接接頭相比，無余高焊接接頭的過渡擴展區(qū)仍然是隨機取向的穿晶解理臺階，但是粗晶擴展區(qū)和柱狀晶擴展區(qū)不再是單純的沿晶擴展，出現(xiàn)少量的穿晶解理臺階，表明在粗晶擴展區(qū)和柱狀晶擴展區(qū)，疲勞裂紋也會以穿晶方式擴展。
　?。?）應