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AZ31镁合金焊接接头疲劳性能及改善方法研究

作　者: 慕伟
导　师: 王文先
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金焊接接头疲劳性能超声冲击处理疲劳评定局部法
分类号: TG407
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 415次
引　用: 5次
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内容摘要

发展复杂的大型镁合金结构，焊接技术是最为重要、快捷的加工方法之一，也是突破镁合金广泛应用瓶颈的重要手段。统计资料表明，70％～90％的焊接结构失效是由于焊接接头疲劳断裂造成的。因此，研究镁合金焊接接头的疲劳性能及改善方法具有重要的理论价值和实际意义。本论文采用交流TIG手工电弧焊方法对8mm厚轧制成形AZ31镁合金板材进行焊接，对镁合金焊接接头的金相组织和一般力学性能进行了测试。结果表明：AZ31镁合金晶粒直径在6～35μm之间；AZ31镁合金焊缝晶粒直径在20～60μm之间；热影响区晶粒严重长大，晶粒尺寸悬殊，晶粒直径在15～80μm之间。焊缝金属冲击韧性为30．5J．cm-2，热影响区冲击韧性为37．9J．cm-2，母材冲击韧性44．8J．cm-2，冲击载荷作用于AZ31镁合金焊接接头时，焊缝是最薄弱环节。AZ31镁合金焊接接头的抗拉强度降幅不大，横向非承载十字接头的抗拉强度为258．0MPa，纵向非承载十字接头的抗拉强度为255．9MPa，为母材抗拉强度285．2MPa的90％左右。研究了母材、横向非承载十字接头和纵向非承载十字接头在拉一拉交变载荷作用下的疲劳性能。试验结果表明：在N=2×106循环次数下，母材的疲劳强度为36．0MPa，横向非承载十字接头的疲劳强度为17．2Mpa，仅为母材疲劳强度的47．8％；纵向非承载十字接头的疲劳强度为20．0MPa，仅为母材疲劳强度的55．5％。由此看来，镁合金焊接接头的疲劳性能远低于母材。为改善AZ31镁合金焊接接头的疲劳强度，利用天津大学研制的超声冲击试验设备对上述两种焊接接头的焊趾部位进行强化处理。试验结果表明：经过超声冲击处理后AZ31镁合金焊接接头的疲劳性能得到一定程度的改善在N=2×106循环次数下，横向非承载十字接头的疲劳强度为24．7MPa，相对于焊态接头疲劳强度提高了43．6％；纵向非承载十字接头的疲劳强度是30．3MPa，相对于焊态接头提高了51．5％。在一定的应力范围内，疲劳寿命提高2～3．5倍。采用扫描电子显微镜·(SEM)对镁合金焊接接头的疲劳断口形貌特征进行了观察。发现AZ31镁合金焊接接头疲劳断口中没有连续、清晰的疲劳条纹，大部分区域都是由细小密集的解理台阶、扇形花样、河流状花样组成，在断口的很多地方都可以看到大小不一的二次裂纹，说明AZ31镁合金焊接接头的疲劳断裂是一种准解理机制的脆性断裂。超声冲击处理不会影响焊接接头的微观断裂机理，但使一定厚度内的焊缝金属晶粒，由粗大的铸造等轴晶转变成轧制态组织，但疲劳裂纹仍然产生在熔合线处。本文利用法国焊接研究所提出的局部法初步评定了AZ31镁合金焊接接头的疲劳性能。在不考虑焊接残余应力的情况下，对AZ31镁合金横向非承载十字接头进行评定，依据试验结果对材料参数进行了修正，得到α′=0.62，β′=8.42MPa。采用修正后的材料参数对AZ31镁合金纵向非承载十字接头进行局部法疲劳评定，其结果与试验结果略有出入。这需要进一步通过大量试验对参数进行修正。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-26
  1.1 选题背景和意义  11-12
  1.2 镁及镁合金  12-13
    1.2.1 镁合金发展、特点及应用  12-13
    1.2.2 镁合金的分类  13
  1.3 镁合金的焊接性  13-17
    1.3.1 镁合金焊接性的影响因素  13-15
    1.3.2 镁合金的焊接  15-16
    1.3.3 镁合金的主要焊接问题  16-17
  1.4 镁合金及其接头疲劳性能研究现状  17-18
  1.5 影响焊接接头疲劳强度的主要因素  18-19
    1.5.1 应力集中对接头疲劳性能的影响  18-19
    1.5.2 焊接缺陷对结构疲劳强度的影响  19
    1.5.3 焊接残余应力对接头疲劳强度的影响  19
  1.6 焊接接头评定方法及要点  19-24
    1.6.1 名义应力评定方法  20-21
    1.6.2 结构应力(热点应力)评定方法  21-22
    1.6.3 缺口应力评定方法  22-23
    1.6.4 断裂力学评定方法  23
    1.6.5 局部法评定方法  23-24
  1.7 本课题研究内容及技术路线  24-26
    1.7.1 本课题研究内容  24-25
    1.7.2 本课题研究路线  25-26
第二章镁合金TIG焊接接头的一般力学性能  26-37
  2.1 前言  26
  2.2 试验准备  26-31
    2.2.1 焊接工艺及准备  26-27
    2.2.2 试件的制备  27-31
  2.3 AZ31镁合金焊接接头的一般性能  31-36
    2.3.1 焊接接头的金相组织  31-32
    2.3.2 焊接接头的缺口冲击试验及试验结果分析  32-33
    2.3.3 焊接接头的静载拉伸试验及试验结果分析  33-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章镁合金TIG焊接接头的疲劳性能研究  37-49
  3.1 前言  37
  3.2 疲劳试验及结果  37-39
  3.3 疲劳试验数据的分析方法  39-40
    3.3.1 最小二乘法拟合  39
    3.3.2 疲劳数据的统计处理  39-40
  3.4 试验结果分析  40-47
    3.4.1 拟合S-N曲线  40-42
    3.4.2 疲劳断口分析  42-45
    3.4.3 镁合金焊接接头疲劳性能的影响因素  45-46
    3.4.4 AZ31镁合金与其它金属焊接接头疲劳强度的比较  46-47
  3.5 本章小结  47-49
第四章超声冲击处理改善AZ31镁合金焊接接头疲劳性能研究  49-57
  4.1 前言  49
  4.2 超声冲击处理试验  49-51
    4.2.1 超声冲击方法原理  49-50
    4.2.2 超声冲击处理  50-51
  4.3 超声冲击态试件疲劳试验结果及分析  51-56
    4.3.1 冲击态AZ31镁合金TIG焊接接头S-N曲线  52-54
    4.3.2 冲击态焊接接头微观组织分析  54-55
    4.3.3 冲击态焊接接头疲劳断口分析  55-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章 AZ31镁合金焊接接头疲劳评定  57-67
  5.1 前言  57
  5.2 局部法基本理论  57-59
    5.2.1 Dang Van疲劳准则  57-58
    5.2.2 基于Dang Van准则的焊接接头局部法疲劳评定  58-59
  5.3 AZ31镁合金焊接接头局部法疲劳评定  59-66
    5.3.1 AZ31镁合金焊接接头局部参量的计算  60-64
    5.3.2 AZ31镁合金非承载十字接头局部法疲劳评定  64-66
  5.4 本章小结  66-67
第六章结论  67-69
参考文献  69-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间发表的主要论文  74

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