铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展速率试验研究

摘要

搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称FSW)是一种固相连接技术，由于其焊接特点的独特性及优越性，这种新型连接技术自问世以来，就受到焊接界的广泛关注。在航空航天、造船、汽车等领域，尤其是高强铝合金的连接方面具有广阔的应用前景。 从国内外搅拌摩擦焊发展的现状看，虽然国外已经在航空器的部分部件上采用了铝合金的搅拌摩擦焊技术，但对该接头的一些应用基础研究工作还不完善，尤其是疲劳问题。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因。据统计，在机械零件失效中大约有80％以上属于疲劳破坏。对于航空用铝合金搅拌摩擦焊接头，研究其疲劳性能的意义不言而喻。能否将搅拌摩擦焊技术应用于我国的航空工业中，主要取决于搅拌摩擦焊接头的各项性能指标是否满足航空器的要求，而疲劳性能是必须研究和验证的重要性能之一。抗疲劳断裂特性是评定搅拌摩擦焊构件使用性能极为重要的指标之一。因此，本文针对铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展进行了试验研究，并取得了一定的成果。 1、针对我国航空器常用的四种铝合金(2024，6082，7050，7075)的不同规格，利用现有条件，确定满足使用要求接头的搅拌摩擦焊工艺参数。并通过对搅拌摩擦焊接头组织分析和检测，得到工艺参数。以寻求工艺参数与疲劳性能的关系，从而找到适应于各合金对应于最佳疲劳性能的焊接规范。 2、对航空用铝合金7075-T65l、7050-7451的搅拌摩擦焊接头的母材、焊核区和热影响区的疲劳裂纹扩展速率(da／dN)进行了试验研究。疲劳裂纹扩展试验采用CT试样，在810 Material Test System试验机上进行。用递增多项式法求得疲劳裂纹扩展速率(da／dN>和(AK)，并分别将母材、焊核区和热影响区同一组试样的(da／dN)和(AK)数据点合在一起进行了整体回归分析。试验中得到了以Paris公式表达的铝合金7075-T651母材、焊核区、热影响区da／dN与AK的关系式。试验结果表明，热影响区疲劳裂纹扩展速率高于母材和焊核区，是该合金搅拌摩擦焊接头最薄弱的区域。 3、针对铝合金7075-T651、7050-T7451搅拌摩擦焊接头的热影响区进行了疲劳裂纹扩展试验研究。应力比R的变化对裂纹扩展速率的影响为：随着应力比的增大，在相同AK下裂纹扩展速率增大。应力强度因子范围AK的变化对裂纹扩展速率的影响为：在相同的应力比R下，随着应力强度因子范围AK的增加，疲劳裂纹扩展速率加快。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1搅拌摩擦焊原理及应用

1.2搅拌摩擦焊研究现状

1.2.1国内外研究现状综述

1.3本课题研究内容和意义

1.3.1研究内容

1.3.1课题目的和意义

第二章疲劳裂纹扩展试验方法

2.1疲劳的基本问题

2.2.1疲劳问题研究的历史进展

2.2.1断裂力学应用于疲劳问题的研究

2.2研究疲劳裂纹扩展问题的主要方法

2.2.1疲劳裂纹扩展过程

2.2.2疲劳裂纹扩展速率试验数据的处理方法

2.3试验方法

2.4本章小结

第三章铝合金搅拌摩擦焊相关焊接参数的测量

3.1实验设备及实验材料

3.1.1设备简介

3.1.2试验材料

3.2确定焊接参数

3.2.1试验原理

3.2.2试验方法

3.3测量结果

3.4本章小结

第四章搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹试验研究

4.1试验方法

4.1.1试验材料

4.1.2焊接设备及工艺参数

4.1.3试样制备

4.1.4试验条件与装置

4.2试验结果与分析

4.2.1试验数据的处理

4.2.2试验结果分析

4.2.3显微硬度

4.3本章小结

第五章热影响区疲劳裂纹扩展试验研究

5.1试验方法

5.1.1试验材料

5.1.1疲劳试样制备

5.1.3试验条件与装置

5.2试验原理

5.2.1利用Paris公式预测疲劳裂纹扩展寿命的一般过程

5.2.2试验结果处理

5.3试验结果与分析

5.3.1应力比R的变化对裂纹扩展速率的影响

5.3.2应力强度因子范围△K的变化对裂纹扩展速率的影响

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读硕士期间所发表的论文