2219铝合金TIG和FSW接头力学及疲劳性能

目的 研究钨极氩弧焊(TIG)和搅拌摩擦焊(FSW)对2219铝合金(母材)力学及疲劳性能的影响。方法 通过拉伸试验，得到了母材、TIG和FSW接头的抗拉强度和伸长率;通过疲劳性能试验测试了母材、TIG和FSW接头在不同应力下相应的疲劳寿命，根据疲劳试验结果绘制了其试样的S-N曲线;使用扫描电子显微镜观察并分析了疲劳断口的形貌特征。结果 未焊接的铝合金母材抗拉强度和伸长率最高，分别为506 MPa和15.92%;TIG接头抗拉强度和伸长率分别为330 MPa和7.65%，FSW接头抗拉强度和伸长率分别为310 MPa和8.74%。母材、TIG和FSW接头等3种疲劳试样在2×10⁶次循环下的疲劳强度分别为129、108、115 MPa，其疲劳断口均可分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区，疲劳裂纹分别起始于试样表面的局部变形区、第二相夹杂物和“吻接”缺陷。疲劳裂纹扩展区的主要形貌为疲劳辉纹和二次裂纹，瞬间断裂区以脆性断裂为主。结论 TIG和FSW等2种焊接工艺均导致了2219铝合金的强度、塑韧性和疲劳性能降低，其接头表面的第二相夹杂物和“吻接”缺陷促进了疲劳裂纹的萌生。     

3.5%NaCl腐蚀环境下2种航空铝合金材料疲劳性能试验研究

腐蚀环境下的疲劳性能是航空金属结构疲劳寿命设计的重要前提,为此,试验测定了2种航空铝合金材料（2E12-T3、7050-T7451）的光滑试样和缺口试样在干燥大气和3.5%NaCl腐蚀环境下的疲劳性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行扫描电镜（SEM）分析,研究了3.5%NaCl腐蚀环境与载荷联合作用对腐蚀疲劳性能的影响机理,研究结果表明:3.5%NaCl腐蚀环境对2种铝合金材料的疲劳性能均产生不利影响,且腐蚀与疲劳载荷的交互作用随着应力水平的降低而增强,疲劳性能下降更明显;与光滑试样相比,腐蚀环境对铝合金2E12-T3缺口试样疲劳性能的影响更大,但对铝合金7050-T7451缺口试样疲劳性能的影响却变小;在腐蚀环境下,裂纹尖端易发生电化学反应产生腐蚀产物和[H]离子,腐蚀产物的存在会阻碍裂纹闭合,同时,[H]离子导致裂纹尖端的氢脆效应,加快裂纹扩展,使疲劳性能降低。     

TC21合金315℃高周疲劳光滑和缺口试样断口分析

开展了TC21研究合金光滑和缺口试样的315℃高周疲劳实验,并对疲劳断口进行详细观察,研究了缺口对TC21合金疲劳寿命的影响.结果表明,光滑和缺口试样的疲劳强度比值随循环寿命降低而降低;光滑试样的失稳疲劳裂纹长度随循环应力升高而降低;瞬断区所承受的断裂应力随循环应力升高而降低;这说明裂纹失稳决定试样的断裂,缺口试样断口有多个裂纹源,以缺口试样名义应力乘以应力集中因子与光滑试样的应力相等作为比较时,缺口试样主裂纹长度大于光滑试样的裂纹长度,缺口试样的裂纹扩展寿命更长.     

17-4PH末级长叶片叶根的疲劳强度与缺口效应

采用成组法和升降法开展了室温某17-4PH末级长叶片叶根纵、横方向光滑与缺口试样的疲劳试验,获得了两个方向上材料的S-N曲线,并对典型疲劳断裂试样进行了断口宏微观形貌观察。结果表明:叶片叶根纵、横方向的疲劳强度基本一致,在长寿命区,纵向疲劳强度略高于横向;光滑试样的疲劳断裂主要呈现单裂纹源特征,而缺口试样呈现多裂纹源汇聚的断裂形貌。结合试样缺口根部的弹塑性应变分析,进一步讨论了叶片叶根纵、横方向的疲劳缺口效应。     

二次枝晶臂间距对A319铝合金拉伸及疲劳性能的影响

改变到模具底部的距离制备出不同二次枝晶臂间距(SDAS)的A319铝合金,讨论了SDAS与孔洞尺寸、硅颗粒尺寸及形态比的关系,深入研究了SDAS对合金拉伸性能、疲劳寿命和疲劳参数的影响。结果表明:硅颗粒尺寸和形态比与SDAS有很好的线性关系,当SDAS较大时,硅颗粒尺寸和形态比也较大,孔洞尺寸与SDAS之间有类似的关系;SDAS对A319铝合金的杨氏模量和屈服强度几乎没有影响,而硬度、抗拉强度和延伸率随着SDAS的增大而降低;疲劳寿命随着SDAS的增大而下降,疲劳参数也随SDAS的变化而变化:随着SDAS的增大疲劳强度指数(b0)增大,而疲劳强度系数(σ′f)、疲劳延性系数(ε′f)和疲劳延性指数(c0)减小。     

8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为

针对紧固螺栓在不同预紧力下的疲劳可靠性问题,对ML40Cr钢母材进行拉-拉疲劳和对称三点弯曲实验,研究输电铁塔用8.8级紧固螺栓用钢的疲劳性能和裂纹扩展行为。拉-拉疲劳实验的结果表明,在不同应变幅的疲劳加载条件下,以材料抗拉强度的50%作为平均应力时ML40Cr光滑试样的疲劳极限为263 MPa,缺口试样的疲劳极限为95 MPa。用有效应力(σ)参数法处理平均应力对ML40Cr疲劳曲线的影响,得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的疲劳缺口敏感度为0.31。依据对称三点弯曲实验的疲劳实验结果,得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的裂纹扩展速率关系式为da/d N=10-10(?K)2.2。探讨ML40Cr用钢的缺口疲劳强度和疲劳裂纹扩展机制。     

30CrMnSiA钢激光再制造件的性能

采用手工激光堆焊技术对预置一定尺寸缺陷的30CrMnSiA钢试样进行再制造,并对其进行了拉伸、冲击和旋转弯曲疲劳试验。结果表明:激光再制造试样的冲击性能和拉伸性能与原始状态材料试样的基本一致,但激光再制造试样的旋转弯曲疲劳寿命只有原始状态材料试样的约20%。断口分析发现疲劳裂纹源均产生在堆焊层,数量随着应力水平的增加而增多。     

超声深滚处理改善预腐蚀7A52-CZ铝合金疲劳性能机理

研究了超声深滚(UDR)处理对预腐蚀7A52-CZ铝合金疲劳性能的作用.7A52铝合金试样在剥蚀腐蚀溶液中浸泡不同时间后进行了超声深滚处理.分别对未腐蚀试样、腐蚀试样和腐蚀+UDR处理试样进行了疲劳试验,用XRD应力测试和扫描电镜等方法分析了UDR处理前后试样的残余应力和断口形貌,并对疲劳断口进行了分析.结果表明:UDR处理在铝合金中引入超过1mm深的残余压应力层,延长了7A52的预腐蚀疲劳寿命.对于腐蚀较轻的试样,UDR处理使裂纹源在表层下残余压应力和拉应力过渡区产生,延长了疲劳裂纹萌生寿命;对腐蚀较重试样,疲劳裂纹仍从晶间腐蚀处形核,但由于引入残余压应力及腐蚀裂纹的部分愈合效应,仍在很大程度上改善了7A52的预腐蚀疲劳寿命.     

不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响

采用轴向加载疲劳和疲劳裂纹扩展速率性能测试方法,研究了不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金厚板疲劳及裂纹扩展性能的影响.结果表明:腐蚀环境对7475铝合金的疲劳性能有较大影响,油箱积水和3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液中光滑试样的疲劳强度较室温下降约68%,油箱积水和3.5%NaCl溶液环境对材料疲劳强度的影响程度基本相同;不同环境腐蚀(空气和3.5%NaCl)和不同温度(室温和125℃)对材料的低周疲劳性能影响不大;腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用,油箱积水和3.5%NaCl溶液环境对裂纹扩展的加速规律基本一致.     

2D-C/SiC缺口试样的拉-拉疲劳损伤

研究了二维正交编织C/SiC双边对称圆弧缺口试样室温和高温真空的拉拉疲劳行为,正弦波疲劳应力比R=0.1,频率60Hz,循环基数106次.循环到规定周次停机,测量试样的共振频率、电阻,并进行SEM观察.结果表明,2D-C/SiC复合材料缺口试样拉-拉疲劳的S-N曲线非常平坦,其疲劳极限是同温度下缺口试样拉伸强度的80%～90%,光滑试样和缺口试样的疲劳极限比值与理论应力集中系数基本相同.缺口试样在疲劳过程中,电阻表征损伤与模量表征损伤的规律基本一致.在疲劳试验初期阶段,缺口附近损伤发展很快,主要表现为产生大量与加载方向垂直的裂纹,随着疲劳次数的增加,损伤发展减缓,但损伤形式逐渐增多,缺口附近与加载方向垂直的裂纹数量明显多于平行加载方向的裂纹数.讨论了电阻表征损伤和模量表征损伤之间的关系.     

加载路径对Sr变质A319铝合金疲劳行为的影响

研究了Sr变质A319铸造铝合金在0.2%应变幅不同加载路径条件下的疲劳性能,包括循环应力响应特征及疲劳寿命,并分析了失效试样的断口特征以及Si颗粒的破坏方式。结果表明:在不同加载路径下材料发生循环硬化程度和速率从大到小排序是:圆形加载、比例加载和单轴加载;疲劳寿命随着加载路径的变化与材料循环硬化程度和速率随着加载路径的变化相对应。断口分析结果表明,宏观断口在比例路径下表现为"人"字形的两条主裂纹,且从单轴、比例到圆形路径,裂纹源区逐渐不明显,裂纹源区和稳定扩展区尺寸也变小;在单轴加载条件下裂痕的断面基本上与主轴平行,而在多轴加载条件下裂痕的分布较为分散。     

Ti—15—3钛合金的疲劳断裂行为研究

研究了Ｔｉ－１５－３合金板材光滑和缺口疲劳及疲劳裂纹萌和方式，发现光滑疲劳试样裂纹多起源于板材原始表面，形成面源；面具有中心孔和边缺口试样的疲劳裂纹多起源于缺口处的机加工端面，形成角源的线源。而且５２０℃时效后所获得的板材的拉伸强度是比５４０℃时效的高７３ＭＰａ，但疲劳极限差别不大。     

机械滚压对A473M钢疲劳性能的影响

采用机械滚压对A473M马氏体不锈钢轴套材料进行表面处理,研究滚压工艺对其力学性能的影响。采用SEM、白光干涉仪、X射线衍射仪、显微硬度计、EBSD、拉伸试验机和疲劳试验机分别对试样表面形貌、表面粗糙度、残余应力、显微硬度、拉伸性能和疲劳性能进行系统表征。结果表明:滚压加工试样表面的粗糙度明显降低,仅为车削加工的1/5;滚压加工在材料近表面引入残余压应力,其值最高可达946 MPa,沿深度方向逐渐减小,残余压应力层深度约为200μm,表面硬度提高30%左右,硬度影响层深度可达200μm;抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提升了40%,22%和8%,疲劳寿命由基体材料的5.4×10^4周次提高到1×10^7周次。采用滚压加工后材料的力学性能明显提升,疲劳寿命显著增加。     

基于DIC的铝合金薄壁缺口件多轴疲劳行为

为探究缺口对材料多轴疲劳性能的影响,以航空用7075-T651铝合金薄壁缺口件为研究对象,进行等效应力幅变量的比例多轴疲劳实验,采用数字图像相关技术进行表征并分析临界平面角度.结果表明:随加载等效应力幅的增加,试样多轴疲劳寿命降低,缺口附近最大轴向、扭向和剪切工程应变增大.不同加载条件下,缺口附近应变集中现象均随着加载周次的增加而逐渐增强.缺口附近的应变变化过程可分为裂纹萌生、裂纹扩展及瞬断阶段.引入临界平面角度和其上最大正应变,提出SWT修正模型,其预测结果均位于2倍分散带内.     

缺口应力集中系数对TC4 ELI合金低周疲劳性能的影响

研究了缺口应力集中系数不同的深海潜水器耐压壳用TC4 ELI(Extra-low-interstitial)合金板材在恒总应变幅控制下的低周疲劳行为。结果表明,在应变幅较低(0.7%以下)和应变幅较高(0.8%和0.9%)条件下的光滑试样在循环初期分别发生了循环硬化和循环软化,而缺口试样在0.2%～0.7%应变幅条件下的循环初期均发生了循环硬化。通过循环载荷作用下材料滞回能的变化描述了TC4 ELI合金试样低周疲劳的损伤程度,得到了缺口应力集中系数与低周疲劳性能参数之间的关系,建立了相对裂纹萌生寿命预测模型。利用该模型能较好地预测缺口应力集中系数较低的TC4 ELI合金在高应变幅条件下的相对疲劳裂纹萌生寿命。     

航空有机玻璃的疲劳性能

通过对航空有机玻璃进行拉伸疲劳试验得到了不同应力水平下的拉伸疲劳S-N曲线以及条件疲劳强度,研究了应力比对有机玻璃拉伸疲劳性能的影响。结果表明:该有机玻璃在应力比为0.4,0.1,-0.1条件下的疲劳强度分别为63.0,57.3,48.4MPa,其对应的拉伸疲劳S-N曲线随着应力比的增加整体上移;在相同应力水平下,应力比越大,该有机玻璃的拉伸疲劳寿命越长。     

泡沫铝疲劳性能研究进展

泡沫铝因其出色的力学、电学、热力学性能而被人们广泛关注和应用.目前,对泡沫铝的研究主要集中在准静态以及高应变率单轴压缩性能上.然而,随着泡沫铝应用环境的复杂化,其在服役过程中承受循环载荷的情况不可避免.因此,充分了解泡沫铝的疲劳性能以及承受循环加载时的失效机理对其在工程中的进一步应用具有重大意义.根据疲劳试验时加载方式的不同,可将泡沫铝的疲劳分为压?压疲劳、拉伸疲劳两种.由于泡沫铝内部结构不规则,试样个体间差异较大,其疲劳性能离散性明显,因此对疲劳寿命、疲劳强度等参数的定义方式也不尽相同.此外,学者们针对泡沫铝疲劳性能的影响因素展开了一系列研究,并取得了一定成果.目前被广泛认可的泡沫铝疲劳性能的影响因素包括:泡孔结构与形貌、试样尺寸、基体与增强相材料以及热处理等,深入了解影响疲劳性能的因素有助于提高泡沫铝在复杂应用环境下的疲劳寿命与疲劳强度.由于试样结构与研究方法的局限性,目前对于泡沫铝疲劳失效机制的分析尚未得出统一结论,针对其疲劳裂纹扩展方式的研究报道相对较少.研究者们多从疲劳应变?循环次数曲线及内部缺陷等方面入手来分析泡沫铝的失效机理.本文综合分析国内外文献并结合笔者课题组工作,针对泡沫铝疲劳性能研究中的一些关键问题进行了论述.重点介绍了压?压疲劳、拉伸疲劳两种不同疲劳载荷加载方式下泡沫铝的疲劳性能,包括疲劳寿命、疲劳强度以及应力水平等参数的定义方式;讨论了不同因素对泡沫铝疲劳性能的影响,提出通过减小泡孔尺寸和优化泡孔结构均匀性等方法来改善其疲劳性能.此外,从宏观、微观角度出发,对泡沫铝的疲劳失效机理进行了分析讨论.     

6005A铝合金挤压型材搅拌摩擦焊接头的疲劳性能

对6005A-T6铝合金挤压型材进行焊速为1000 mm/min的搅拌摩擦高焊速焊接,研究了对接面机械打磨对接头组织和力学性能的影响。结果表明,与生产中常用的焊前打磨处理相比,尽管对接面未机械打磨的接头焊核区的“S”线更明显,但是两种接头的硬度分布和拉伸性能相当,拉伸时都在最低硬度区即热影响区断裂。高周疲劳实验结果表明,两种接头的疲劳性能也基本相当,疲劳强度分别为105 MPa和110 MPa;在高应力幅下样品断裂于母材,在低应力幅下断裂于热影响区且出现两个裂纹源。两种接头的疲劳断口有裂纹源区、扩展区、最终断裂区,都呈现出典型疲劳断口特征。研究结果表明,焊前是否进行机械打磨对FSW接头的静态拉伸和动态疲劳性能没有明显的影响。     

搅拌摩擦与氩弧焊铝合金接头疲劳性能的比较

建立了铝合金焊接接头的S-N曲线,对比分析了搅拌摩擦和氩弧焊两种工艺对其焊接接头疲劳性能的影响,结果表明:在载荷相同的条件下,铝合金搅拌磨擦焊接接头的疲劳性能优于氩弧焊接头,搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命N=106次的疲劳强度为59-65 MPa,搅拌摩擦焊接接头具有比氩弧焊接头更为细小的晶粒和狭窄的焊接热影响区,阻碍了滑移带的形成和裂纹的扩展,从而提高了接头的疲劳性能,铝合金焊接接头的缺陷是主要的疲劳裂纹源.     

含缺陷的Al-Si-Mg合金的疲劳性能和强度评估

在高速铁路接触网支撑定位装置用Al-7Si-0.6Mg合金中引入不同尺寸的人工缺陷，进行旋转弯曲疲劳实验以定量研究缺陷尺寸对材料疲劳强度的影响，并建立了疲劳强度与缺陷尺寸之间的定量关系。结果表明：材料表面的人工缺陷尺寸越大，试样的高周疲劳强度的下降越大；材料表面尺寸小于370 μm的人工缺陷对其高周疲劳强度没有影响；在适用性条件范围内使用修正的Murakami公式能更加准确地评估Al-7Si-0.6Mg铝合金的高周疲劳强度和应力强度因子门槛范围。