（材料加工工程专业论文）搅拌摩擦焊对接接头疲劳裂纹扩展速率试验及模拟研究.pdf

摘要 搅拌摩擦焊( f s w ) 作为一种固相连接技术，在铝合金等轻型合金连接领域 比起传统的熔焊技术具有很大的优势。目前国内外许多学者已对f s w 技术进行 了多方面的研究，比如焊接工艺、焊接缺陷、显微组织等，但是对其接头的疲劳 性能及疲劳裂纹扩展速率的研究相对较少，由于焊接接头疲劳过程随机因素影响 显著，其各种材料及条件下疲劳数据的积累十分重要。 本文通过高频疲劳试验，对航空铝合金7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接头预制裂纹 穿焊缝中心、前进边、后退边和母材四种形式试样的疲劳裂纹扩展速率进行了研 究。其中焊缝中心试样和母材试样还分别进行了高低循环应力比的疲劳试验，即 r = 0 1 和r = 0 5 。还通过金相组织观察试验、维氏硬度试验和疲劳断口s e m 分析 试验进一步的了解接头的疲劳性能。 金相试验发现：f s w 接头由焊核区、热机影响区和热影响区组成，其中焊 核区由细小等轴晶组成，热机影响区的晶粒受到搅拌作用被拉长，而热影响区晶 粒因为热作用略有长大。硬度试验发现：7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接头的硬度分布 呈“w ”形，焊核区的硬度值仅低于母材，前进边热影响区的硬度值最低，而且 硬度分布与其微观组织的变化相对应。疲劳断口的电镜观察发现：焊缝中心的疲 劳断口较平整，断裂形式主要是沿晶断裂，而前进边和后退边在裂纹扩展后期以 穿晶断裂为主；母材的疲劳断口比接头的清晰。焊缝中心区的疲劳断口能观察到 少量疲劳辉纹，而在前进边和后退边都有大量的疲劳辉纹；母材的断口中的疲劳 辉纹更加连续、整齐。 对7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接弓不同区域的疲劳裂纹扩展速率进行对比发现： 在低a k 区，后退边疲劳裂纹扩展速率最慢，前进边的最快；到了高a k 区，前 进边的疲劳裂纹扩展速率最慢，焊缝中心的最快。在r = 0 1 和r = 0 5 两种情况下， 母材的疲劳裂纹扩展速率刚开始都比焊缝中心的快，但随着a k 的增长，母材的 速率逐渐减小，而焊缝中心的升高，直至二者相等。母材和接头焊缝中心的疲劳 裂纹扩展速率都在高应力b , n , - j - 比较快。 应用a f g r o w 软件模拟的f s w 接头各个不同区域和母材试样的疲劳裂纹 扩展结果与试验结果十分吻合，所以其模拟是合理有效的。利用a f g r o w 平台， 模拟得到不同应力下试样的疲劳寿命，绘制了各种类型试样的。一曲线，结 果表明：7 0 7 5 t 6 铝合金f s w 接头比母材的疲劳性能好，能承受的最大应力更 高；接头和母材都在低循环应力比下具有更好的疲劳性能。 关键词：搅拌摩擦焊；铝合金：疲劳裂纹扩展速率；d a d n 曲线；疲劳断口： a f g r o w a b s t r a c t f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ( f s w ) ，a sas o l i ds t a t ej o i n i n gt e c h n o l o g y ，h a sm u c hm o r e s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s t h a nt r a d i t i o ra lf u s i o nw e l d i n gt e c h n o l o g yi nl i g h ta l l o y s ，s u c h a sa l u m i n u ma l l o y s a n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d so f a v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，s h i p p i n g a n ds oo ni sw i d e ra n dw i d e r a tpr e s e n tm a n yi s s u e so ff s w t e c h n o l o g yh a v eb e e n s t u d i e db yr e s e a r c h e r sh o m ea n da l ：r o a d ，s u c ha sw e l d i n gp a r a m e t e r ，w e l d i n gd e f e c t s ， w e l d i n gj o i n t s m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b u tt h es u b j e c t so nf a t i g u e p r o p e r t i e so ff s wj o i n t s a r es o ：；c a r c e ，e s p e c i a l l yo nf a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e s ( f c g r ) m o r e o v e r ，b u i l d i n ga r e as o n a b l ef a t i g u ea s s e s s m e n tn o r mi sn e c e s s a r yf o r t h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ff s w ，s oi t se s s e n t i a lt oc a r r yo u tr e s e a r c h e so n f s w j o i n t s f a t i g u eb e h a v i o r i nt h i st h e s i s ，f a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ea e r o n a u t i ca l u m i n u ma l l o y7 0 7 5 一t 6f s w j o i n t sw i t hp r e f a b r i c a t e dc r a c kt h r o u g hw e l ds e a mc e n t e r ，w e l da d v a n c i n gs i d e ( a s ) a n dw e l dr e t r e a t i n gs i d e ( r s ) w e r es t u d i e di nh i g h f r e q u e n c yf a t i g u ee x p e r i m e n t s ，a n d t h e nc o m p a r e dw i t ht h o s eo f7 0 7 5 一t 6a l u m i n u ma l l o yb a s em e t a l t h ef a t i g u e e x p e r i m e n t so fs p e c i m e n sw i t hp r e t h b r i c a t e dc r a c kt h r o u g hw e l ds e a mc e n t e ra n d b a s e m e t a lw e r ed i v i d e di n t ot w og r o u p s ，i e 胙o 1a n dr = 0 5 m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n ， v i c k e r sh a r d n e s st e s t sa n df a t i g l jef r a c t u r es e ma n a l y s i sw e r ea l s oo p e r a t e da s c o m p l e m e n t a r yt e s t s ，i no r d e rt oe x p l a i nt h ej o i n t s f a t i g u ep e r f o r m a n c e sb e t t e r t h em e t a l l o g r a p h i ct e s t sd e m o n s t r a t e dt h a tf s w j o i n t sw e r ec o m p o s e do fn u g g e t z o n e ( n z ) ，t h e r m o - m e c h a n i c a la f f e c t e dz o n e ( t m a z ) a n dh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) t h en zw a sf o r m e do ff i n ee q u i a x i a lr e c r y s t a l l i z e dg r a i n s t h eg r a i n si nt h et m a z w e r ee l o n g a t e da f t e rb e i n gs t i r r e d ，h i l et h o s ei nt h eh a z j u s tg r e wb i g g e rb e c a u s eo f f r i c t i o nh e a t t h eb o u n d a r yb e t w e e nh a za n db a s em e t a li na sw a sc l e a r ，b u tt h eo n e i nr sw a sd i m a n dt h eh a r d n e s st e s t st o l dt h a th a r d n e s sp r o f i l el o o k e dl i k ea “w ” t h eh a r d n e s sv a l u ei nt h ew nw a st h es e c o n dh i g h ，l o w e rt h a nt h a ti nt h eb a s em e t a l ， a n dt h el o w e s tv a l u ew a si nt h eh 忆o fa sw h i c hw a st h ew e a k e s tp a r to ft h ef s w j o i n t s t h eh a r d n e s sv a l u e sv a r i e di i st h em i c r o s t r u c t u r ev a r i e di nt h ej o i n t s t h ef a t i g u ef r a c t u r es e mo b s e r v a t i o ns h o w e dt h a tf a t i g u ef r a c t u r e si nt h en z w e r es m o o t hw h i l ef a t i g u ef r a c t u r e si no t h e ra r e a sw e r er a t h e rc r u d e t h ef r a c t u r e m o d ei nt h en zw a sa l m o s ti n t e r g l a n u l a rf a i l u r eb u tt h ef r a c t u r em o d e si no t h e ra r e a s w e r ei n t e r g r a n u l a rf a i l u r ea tt h eb e g i n n i n ga n di n t r a c r y s t a l l i n ef a i l u r ei nt h el a t e r p h a s e t h ef r a c t u r es u r f a c eo fb a s em e t a lw a sc l e a r e rt h a nt h o s eo ff s wj o i n t s t h e r e w e r ef e wf a t i g u es t r i a t i o n si nt h ew nb u tm a n yi na sa n dr sb e s i d e st i r e l i k e p a t t e r n s f a t i g u es t r i a t i o n si nb a s em e t a lw e r et i n i e r t h e a n a l y s i so ff c g r o fd i f f e r ：n ts p e c i m e n si n d i c a t e dt h a tw h e na ki sl o wt h e f c p ri nt h eh a zo fr sw a st h e1 0 、h e s ta n dt h a to fa sw a st h eh i g h e s t ；w h e na ki s h i g ht h ef c p ri nt h eh a z o fa s 、h a st h el o w e s ta n dt h a to fn zw a st h eh i g h e s t i n b o t hc a s e so fr = 0 1a n dr = 0 5 ，t h ef c g ro fb a s em e t a lw a sh i g h e rt h a nt h a to fn z ， a n di td e c r e a s e da sa ki n c r e a s e du n t i li te q u a l e dt ot h a to fn z b o t ht h ef c g r so f b a s em e t a la n dn zw e r eh i g h e ri rt h ec a s eo fh i g hs t r e s sr a t i o ，a n dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nh i g ha n dl o ws t r e s sr a t i oo l ? t h el a t t e ro n ew a sm o r eo b v i o u s c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n s w e r ed o n e t h ec a l c u l a t i o n sw e r ei nv e r yg o o da g r e e m e n tw i t ht h ef a t i g u et e s t s s oa c o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a ta f ( i r o ws i m u l a t i o ni sr e l i a b l et op r e d i c tf c p r so f a l u m i n u ma l l o yf s wi o i n t sa n db a ；em e t a l t h em o r es i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e dt o o b t a i nf a t i g u el i v e so fd i f f e r e n ts p e c i m e n sb a s e do na f g r o w ，a n dq 。一nc u w e s w e r ed r a w n i tc a nc o n c l u d et h a t7 0 7 5 - t 6a l u m i n u ma l l o yf s w j o i n t sh a v eb e t t e r f a t i g u ep e r f o r m a n c e st h a nb a s em e t a l ，b e c a u s et h e yc a nb e a rl a r g e rs t r e s si nt h es a m e c o n d i t i o n k e yw o r d s - f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，a l u m i n u m a l l o y ，f a t i g u ec r a c kg r o w t h r a t e ，d a d nc u r v e s ，f a t i g u ef r a c t u r e ，a f g r o w 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 第一章绪论 搅拌摩擦焊( f i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 是英国焊接研究所( t h ew e l d i n g i n s t i t u t e ，简称t w i ) 于1 9 9 1 年发明的新型固相连接技术【1 1 ，它的搅拌头高速旋 转并与工件摩擦产生大量的热量使材料局部塑化从而连接起来。由于2 0 0 0 和 7 0 0 0 系列的高强铝合金十分难焊，采用传统的熔焊技术会产生许多缺陷，f s w 正好应用于它们的连接中并弥补了这些不足。f s w 具有以下优点【2 】：焊接最高温 度只有铝合金熔点的0 7 0 9 倍，避免了在焊接接头产生较大的温度梯度，使得 焊缝的残余应力大大降低，焊接变形显著减小；另外，f s w 轴肩对焊缝施加的 压力使焊后能得到光滑平整的焊缝，并且没有气孔；搅拌头的搅拌动作能够有效 地分散或消减焊缝中的氧化物和：夹杂；不产生弧光、烟尘和噪音；控制参数少， 易于实现自动化。因此f s w 技术获得广泛关注，现已经成熟地应用于航空、航 天、高速舰船和高速列车等制造领域。 随着f s w 技术的不断进步和越来越多轻型高强合金的应用，f s w 技术将占 据越来越重要的地位。焊接接头的疲劳性能是焊接件的重要性能之一，尤其是在 航空航天等的重要结构中，焊接接头的抗疲劳断裂性能成为评价其使用性能的重 要标准。同样，f s w 接头的疲劳性能是其重要特性，成为其工业推广的决定因 素。铝合金的f s w 焊接结构的使用寿命和安全可靠性很大程度上决定于接头的 抗疲劳断裂性能【3 】，分析交变载荷下f s w 接头疲劳裂纹的产生，形成失效时的 应力循环次数以及疲劳裂纹扩展速率等能为建立合理的f s w 疲劳评定规范提供 有价值的参考数据，所以对铝合金f s w 焊接结构的设计与安全评定有着十分重 要的理论意义。 焊接接头的使用寿命与其疲劳性能密切相关，目前所有的疲劳设计规范还只 是建立在熔焊接头疲劳数据的基| i 出上，f s w 接头的几何形状及有关试验数据还 没有涉及，因而评定f s w 接头的疲劳行为具有明显的局限性。因此本试验研究 航空铝合金7 0 7 5 t 6 的f s w 接头疲劳裂纹扩展速率情况具有重要意义，有助于 建立f s w 接头的疲劳试验标准，推动其进一步广泛应用。 1 2 疲劳的基本问题 第一章绪论 材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化称作疲劳，如果导致材料 开裂就叫做疲劳断裂【4 j 。 疲劳失效的发生在机械设备和工程结构中极为广泛，几乎存在于所有的零部 件。绝大部分的零部件都承受着循环变化的应力，如飞机、船舶、汽车、动力机 械、工程机械、冶金、石油等中的机械部件以及铁路桥梁等的主要零件和构件， 具体的有发动机的主轴、曲轴、齿轮，和涡轮叶片、弹簧、钢轨以及滚动轴承等， 根据统计数据显示，8 0 以上的这些零部件都是因为疲劳断裂损坏的。所有的零 部件，不管看起来是否静止，只要它承受着反复作用的载荷，就会发生疲劳。发 生疲劳断裂的时候，材料承受的最高应力一般远低于其静载强度极限。材料的静 载抗力主要决定于材料本质，但是在变动载荷下，材料的尺寸、形状、使用条件 和环境因素等都会对其产生影响。疲劳失效在断裂前并无先兆，没有明显的宏观 塑性变形，所以造成的后果都是灾难性。疲劳一般从应力集中处开始，而焊接结 构的疲劳又往往在焊接接头处产：兰，所以焊接接头的疲劳性能必须引起足够高的 重视和关注。 1 2 1 疲劳问题的研究历史进展 疲劳问题的研究已有一百多年的历史。1 8 2 9 年，德国的阿尔倍特做出了第一 份关于疲劳问题的研究报告。1 8 3 9 年“疲劳”一词被首次使用。1 8 4 7 年，“疲 劳试验之父”a w o h l e r 对火车车轴的疲劳失效问题进行了系统研究，设计 并制造出了世界上第一台疲劳试验机，他还提出了利用洲曲线来描述疲劳行 为，以及疲劳极限和耐久极限的概念，奠定了金属疲劳的基础。 2 0 世纪初，金相显微镜开始在疲劳机制的研究中得以应用。1 0 年代，b a i r s t o w 测定了应力应变曲线中的滞后叵线，并且提出循环软化和循环硬化的概念。英 国人h j g o u g h 于1 9 2 4 年出版了疲劳巨著金属疲劳。美国人r e p e t e r s o n 在1 9 2 9 年提出了应力集中系数的理论值。3 0 年代，喷丸技术因为能在 材料表层产生压缩残余应力，解决了弹簧和车辆经常发生疲劳失效的问题。二战 后，疲劳问题的研究从原子尺度扩大到了庞大的实际工程，人们开始研究疲劳的 影响因素和机理。5 0 年代，疲劳研究取得了三大成果。1 ) 闭环控制的电液伺服 疲劳试验机研制成功；2 ) 电子显微镜被应用来研究疲劳机制；3 ) m a n s o n c o f f i n 方程被提出。1 9 6 3 年，p c p a l i s 提出了表达裂纹扩展速率的著名关系式 p a r i s 公式。6 0 年代统计学开始应用于疲劳设计和疲劳试验，1 9 6 3 可靠性理论和 第一章绪论 损伤容限设计也都开始应用于疲劳设计中，美国材料试验学会( a s t m ) 的e 9 疲劳委员会发表了疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南【1 l 书。 到e l 前为止，人们在微观机理方面，己经对疲劳裂纹的萌生与扩展机制有了 比较清楚的认识。在疲劳设计方面，己经提出了4 种疲劳设计方法：名义应力疲 劳设计法、局部应力应变分析法、损伤容限设计和疲劳可靠性设计【5 - 6 1 。 1 2 2 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 断裂力学的定义是：以应用力学的方法来分析带裂纹体上已存在的裂纹或类 似裂纹的缺陷的发展【7 1 。断裂力学使得裂纹扩展速率可以用来表达和说明疲劳数 据，它可用来描述材料的断裂过程，其基础是裂纹尖端应力强度因子k 1 8 1 。实际 构件往往在加工和使用过程中生成各种各样的裂纹和缺陷，裂纹在交变载荷的作 用下就可能慢慢扩展。应用断裂力学把疲劳设计建立在构件本身就存在裂纹的基 础上，按照循环载荷下裂纹的扩展规律，估算构件的疲劳寿命是保证构件安全工 作的重要途径。目前，裂纹扩展：塞率d a d n 曲线已被广泛用来评判材料的疲劳 性能。 2 0 世纪5 0 年代初人们开始：对于疲劳裂纹扩展的研究【9 。1 1 】。一个构件如果 存在初始裂纹，承受的循环应力低于临界应力吒但又足够大时，会缓慢扩 展，当扩展到临界裂纹尺寸a 时，就发生破坏。疲劳裂纹由初始裂纹扩展到c 临界值口，的这个过程叫做亚临界扩展阶段。可以分两种情况来研究裂纹的亚临界 扩展：既裂纹在裂纹尖端弹性区内的扩展和裂纹在范性区内的扩展。前一种情况， 裂纹长度远远地超过裂纹尖端塑性区的尺寸，即a ( r d 为塑性区尺寸) ，对 于很多承受高循环、低载荷、低裂纹扩展速度( d a d n 1 0 m m ，即每次循环裂 纹扩展的距离小于百分之一毫米) 的零、构件，其裂纹扩展就属于这种情况；后 一种情况，a 1 0 2 m m ) 的零、构件，就属于这种情况。前者有时也称为应力疲劳， 后者也称为应变疲劳。 关于疲劳裂纹扩展规律，近年来已有许多研究，大多都是关于在循环单轴载 荷作用下在与载荷方向垂直的方向上的疲劳裂纹扩展速率的理论和规律。2 0 世 纪6 0 年代，美国人p a r i s 在疲劳裂纹扩展的研究中开始用到断裂力学【l2 1 ，促使这 个领域的研究迅速发展起来。他提出了关于裂纹扩展速率的重要经验公式 p a r i s 公式，它是公认的表达疲劳裂纹扩展速率最著名的公式【l3 1 。从疲劳裂纹扩 展速率d a d n a k 曲线可以看出，各试验点都落在一条直线上，这就说明，亚 第一章绪论 临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方式的限制，而直接受应力强度因子 幅度赵的控制。 根据裂纹扩展的指数定律，通过整理各种材料的大量试验数据发现，各种金 属材料的指数大约为m = 2 7 ，其中绝大多数材料m = 2 - 4 。进一步研究各种金属 材料的d a d n a k 在双对数坐标上的关系时，发现在宽广的a k 范围内并非一 条直线，而是由四条不同斜率的线段组成。在应力强度因子幅度a k 小于某一界 限值时，裂纹不发生扩展，此界限值定义为似即门槛值，是材料固有的特性。 当外加应力强度因子幅度达到此界限值赵m 后，裂纹扩展速率急剧上升，此线段 几乎与横坐标垂直。此后，稍微增加a k 值，c l a d n 与a k 成指数，z 1 的关系。对 于钢材，其力学性能如屈服强度、极限强度，和机械性能如加工硬化特性、组织 结构等因素对此阶段的斜率没有明显影响。在此扩展阶段内试样断口为平断口， 与外加拉应力成9 0 。电子金相照片表明它具有典型的疲劳辉纹，断裂方式为 穿晶断裂。随着a k 继续增加，斜率转折点i 出现，此后斜率降为，即即， 。 宏观断口表明，此阶段开始出现切变斜断口，断口表面与外力成4 5 。它的电 子金相照片表明，断口为解理断裂和疲劳断裂的混合型。与斜率转折点i 对应的 裂纹扩展速率，一般在1 0 一1 0 4 r a m 次的范围内。测定转折点以及转折点两侧的 斜率，对于估算疲劳破坏寿命具：茸重要的实际意义。继续增加a k 值，当k 。逐 渐接近材料的疋值时，达到了术才料的第1 i 转折点，此点是裂纹扩展速率的加速 转折点，过此点后斜率急剧上升，宏观断口为全切变断口。研究表明，各种材料 的疲劳裂纹扩展速率加速转折点基本上是在某一恒定裂纹张开位移幅度下发生 的，即a s = 3 。以上所讨论的是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内, 9 6 x1 0m m 的扩展规律，这些规律的应用范围是低应力、高循环、低扩展速率，但这种指数 规律不能用来表征高应变循环条件下的裂纹扩展规律。 构件在进行疲劳裂纹扩展寿命的估算时，其基本数据就是材料或构件的疲劳 裂纹扩展速率。文献资料常以p a r i s 公式表示裂纹扩展速率d a d n 与应力强度因 子幅度a k 之间的关系。工程断裂力学在疲劳研究中的主要内容就是疲劳裂纹扩 展规律的研究。 1 3f s w 疲劳裂纹扩展速率研究现状综述 到目前为止，国内外关于疲劳裂纹扩展速率的研究虽然还是比较有限，但是 也取得了一定的成果和进展，通过大量的试验得出了一定量的很有价值的数据和 结论。 第一章绪论 ( 1 ) 试样的尺寸形状 通过对比研究c t 试样和m t 试样得出，f s w 接头热影响区的疲劳裂纹扩展 速率在低应力比下受试样几何尺寸的影响很大。c d m l i l j e d a h l 和j b r o u a r d t l 4 】 等人对2 0 2 4 t 3 5 1 铝合金的变极性等离子电弧焊接接头的疲劳裂纹扩展行为进 行过研究，他们发现m ( t ) 和c ( t ) 试件的起始残余应力分布存在很大区别。c ( t ) 试件中的残余应力能抵抗疲劳裂纹的扩展，而m ( t ) 试件中的却能促进疲劳裂纹 的扩展。因此，通过试验所得的顿乏劳裂纹扩展速率具有一定的误导性，因为试件 的残余应力分布并未准确得到。 ( 2 ) 焊缝不同区域 通过研究残余应力和组织结7 勾对铝合金f s w 接头疲劳裂纹扩展速率的影 响，得到结论：热影响区的压缩残余应力能使裂纹尖端闭合，从而提高了焊接接 头的抗疲劳裂纹扩展能力：而在焊核区，由于存在拉伸残余应力和组织结构的影 响，疲劳裂纹扩展速率反而有所增加。而且，对疲劳裂纹扩展速率的预测，不仅 要考虑残余应力的影响，还要考虑裂纹所处区域组织微观结构的影响和其它可以 导致裂纹闭合的因素。疲劳裂纹扩展速率是由焊接残余应力和组织微观结构决定 的，而f s w 接头的显微硬度变化对其影响并不大。在p m g p m o r e i r a ，a m p d ej e s u s ，a s r i b e i r o 和p m s td ec a s t r o 研究中分析比较了焊接件不同区域的 裂纹扩展性能：焊缝中心、热影响区和垂直于焊缝处，并与母材做了对比。宏观 照里在热影响区并未发现特殊特：正；在焊缝中心随着焊针旋转出现的条纹花样是 其特有的特征；裂纹横穿焊件，不同的焊缝区域都清晰可见：热影响区、机械热 影响区及其中的洋葱环。扫描电镜下，热影响区裂纹表面随着裂纹长度增加而变 得更粗糙，高倍下能观察到疲劳辉纹和孔洞；焊缝中心裂纹表面在整个长度上都 很相似，有因焊针旋转前进造成的条纹花样；垂直于焊缝的裂纹横穿焊件，穿过 了热影响区和机械热影响区，在热影响区时裂纹表面跟之前描述的很相似，机械 热影响区有f s w 过程中材料被搅拌留下的形貌【l5 | 。 g b u s s u 和p e i r v i n g t l 6 】通过对2 0 2 4 t 3 51 铝合金f s w 接头疲劳裂纹扩展 速率的研究得出，f s w 的疲劳裂纹扩展速率很大程度上依赖于裂纹相对于焊缝 的位置和方向。 ( 3 ) 残余应力 通过研究残余应力对f s w 接头的近门槛值的疲劳裂纹扩展的影响，发现虽 然f s w 接头的残余应力相对较低，但其对近焊缝区域的疲劳裂纹扩展速率影响 仍然很大。g b u s s u 和p e i r v i n g 早就研究得出，f s w 接头的疲劳裂纹扩展行为 第一章绪论 主要受控于焊接残余应力，而微观结构、硬度变化占次要影响。并采用塑性拉伸 2 的机械方法去除残余应力1 1 刚。 o m a rh a t a m l e h ，s c o t tf o r t h ，和a n t h o n yp r e y n o l d s 1 7 j 研究了喷丸处理对 7 0 7 5 铝合金f s w 接头疲劳裂纹扩展性能的影响，分别对经过激光喷丸和珠击喷 丸的f s w 接头的疲劳裂纹扩展速率进行了评估，而且分别讨论了在两种应力循 环比( r = 0 1 ，o 7 ) 下的情况。作者采用x r d 方法测量出焊缝中的残余应力分 布，研究表明，残余应力对裂纹扩展产生了重大的影响，而微观组织对其的影响 比较小，f s w 产生的残余应力对裂纹扩展既有加速作用也有延迟作用；在厚度 方向上激光喷丸比喷丸强化引入了更高的压缩残余应力；对f s w 接头的珠击喷 丸处理对其疲劳裂纹扩展速率几：乎没有影响：激光喷丸后的试件的硬度和残余应 力有很大的联系；经过激光喷丸的试件的裂纹起始循环次数明显比喷丸强化和原 始焊态下的试件高出许多：在低应力比下( r = 0 1 ) ，激光喷丸试件的裂纹扩展 速率明显比喷丸强化试件的低许多，但是这种差异在高应力比下( 尺= 0 7 ) 就减 小了。 o m a rh a t a m l e h 【1 8 】早先就同j e dl y o n s 和r o y c ef o r m a n 一起研究了喷完强化 和激光喷丸对7 0 7 5 t 7 3 5 1 铝合金板材f s w 接头疲劳裂纹扩展行为的影响。经过 对不同的喷丸处理的系统研究得到，相较于原始焊态和未焊母材，经过激光喷丸 处理后的f s w 接头试样疲劳裂纹扩展速率明显下降；而喷丸强化处理后的试样 就没有如此明显的下降。作者还对疲劳辉纹间距进行了评估，结果表明，激光喷 丸处理后的试样的疲劳辉纹间距：匕普通喷丸强化和未喷丸的试样的疲劳辉纹间 距小，疲劳辉纹间距的减小也表明疲劳裂纹扩展速率的降低，这个结果要部分归 因于激光喷丸后带来的更深的压缩残余应力。 ( 4 ) 循环应力比r 和温度 早在19 9 9 年，就有学者研字：了应力循环比r 对铝合金疲劳裂纹扩展性能的 影响。印度的s v k a m a t 和m s r i n i v a s 采用v a s u d e v a n 及其同僚建议的双参数 法研究得出，应力循环l l r 对馘，和a k 岔有重要影响，并推出两个临界参数a k + 腑 和a k + 。的值分别为3 4 和4 7 m p a ，l 【1 9 j 。 j d i n g ，r h a l l 和j b y r n e 2 ) 】也研究了锻造航空发动机材料开角切i ：3 试件在 不同温度下的疲劳门槛值和疲劳裂纹扩展速率。临界应力强度范围a t , 。是由一种 应力比步进方法( t h e j u m pi n ”m e t h o d ) 确定的。研究发现，在高应力比 ( r = o 7 0 9 ) 下，裂纹闭合效应可以被忽略，在室温和3 5 0 研的拭。很接近。 在某一给定温度下，随着r 从o 7 升高到0 9 ，战。从3 1m p a 4 m 降到了2 1 m p a 磊。 第一章绪论 另一方面，疲劳裂纹扩展速率受到温度的影响：在高应力比( 炒0 7 ) 下，a k 相同时3 5 0 下的疲劳裂纹扩展速率比在室温下的高；在低应力比( r = 0 0 1 ) 下， 在临界门槛值附近高温导致高疲劳裂纹扩展速率，但在高a k 处并无多大影响。 但是温度对疲劳临界门槛值无显著影响。应力循环比对疲劳裂纹扩展速率的影响 在3 5 0 研近临界门槛值处很明显，但是随着a k 的升高这种影响就逐渐减小。 p m g p m o r e i r a ，a m p d ej e s u s ，a s r i b e i r o 和p m s t d ec a s 仃o 【2 1 】在对 比研究6 0 8 2 t 6 和6 0 6 1 t 6 铝合佥的f s w 接头的疲劳裂纹扩展性能时也考虑了 不同的应力循环比对此产生的影响。得到结论：裂纹扩展速率随着应力循环比的 升高而加快。 ( 5 ) 母材 还有学者研究了铝合金f s w 接头的强度，接头的疲劳强度变化比较大，没 有静载强度那么稳定，数值也没；宁那么大。f s w 接头焊核区的背部是疲劳裂纹 常常萌生的地方，然后裂纹在搅拌区扩展。所以疲劳强度同焊核区背部的情况有 很大的关系。因此，为了使f s w 接头获得较好的疲劳性能，需要通过机械加工 的方法将焊根去除，以减小这种缺陷给f s w 接头疲劳性能造成的负面影响。 p m g p m o r e i r a ，a m p d ej e s u , ；，a s r i b e i r o 和p m s t d ec a s t r o 在对比研究 6 0 8 2 t 6 和6 0 6 1 t 6 铝合金的f s w 接头的疲劳裂纹扩展性能时还考虑了母材与 焊接接头的疲劳裂纹扩展速率的区别，得出6 0 6 1 t 6 和6 0 8 2 t 6 两种材料的f s w 接头的裂纹扩展速率都比母材的小，这看起来似乎与单调力学性能相矛盾，但是 这能用裂纹扩展时裂纹附近的压缩应力来解释。两种材料的母材的裂纹扩展速率 非常相似，但是6 0 6 1 t 6f s w 接头的抗裂纹扩展能力比6 0 8 2 t 6 更强。 ( 6 ) 轧制方向 在上面的研究中，母材还根据平行于s l y 0 方向和垂直于g g l 带o 方向分别进行了 试验，沿着母材轧制方向在低应：扫强度因子范围下，裂纹扩展速率较小；垂直于 母材轧制方向在较高应力强度因子范围下，裂纹扩展速率更小1 2 。 p c a v a l i e r e ，m c a b i b b o 和f p a n e l l a 研究了轧制方向对铝合金母材和f s w 接头力学性能和微观结构的影响结果是l 和t 两种轧制方向的板材的母材存 在差异，但是焊接接头在裂纹起始和扩展过程中都表现出相似的行为特征，由此 推出f s w 过程消除了轧制方向对焊接接头疲劳性能的影响。 ( 7 ) 强化颗粒 a p i r o n d i ，l c o i l i n i 和d f e r s i n i 2 2 】还研究了颗粒增强金属基复合材料 ( p m m c ) ：a a 6 0 6 1 a 1 2 0 3 2 0 p 和a a 7 0 0 5 a 1 2 0 3 1 0 p ( 即6 0 6 1 铝合金基体中含 有体积分数为2 0 的a 1 2 0 3 ：7 0 c 5 铝合金基体中含有体积分数为1 0 的a 1 2 0 3 ) 第一章绪论 f s w 对接接头的断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能，还将f s w 接头与母材做了对比， 分别采用的是e c t 试样和c t 试样。试验中疲劳裂纹扩展速率的测量方法是将 应变片贴于试样背面，通过监视器来观测，分别记录了焊缝中心和热机影响区两 处的试验数据。这两种复合材料的f s w 接头和母材的对比研究表明，f s w 对断 裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的影响因材料的不同而有所不同：具体来说， a a 6 0 6 1 a i 2 0 3 2 0 p 对接接头的断裂韧性比母材的低2 5 ，而a a 7 0 0 5 a i 2 0 3 1 0 p 对接接头的断裂韧性比母材的高10 到2 0 ；a a 6 0 61 a 1 2 0 3 2 0 p 对接接头比母 材具有更高的疲劳裂纹扩展门槛值，且接头的近门槛值的裂纹扩展速率更低，而 a a 7 0 0 5 a 1 2 0 3 l o p 的情况就相反。作者通过对裂纹路径粗糙度r v 的光学分析及 其对疲劳裂纹扩展速率的影响解释了以上结果，风是与疲劳裂纹扩展速率相关的 一个参量，其值越高，速率越低。这两种复合材料的母材和f s w 接头在低裂纹 扩展速率时的r 。差异主要是两个影响因素共同作用的结果：1 ) 由于动态再结晶 造成晶粒细化；2 ) 由于搅拌作用造成的颗粒破碎。晶粒越细的时候，金属基中 裂纹扩展的第二阶段( 双滑移) 更容易发生，即便是在低速率的情况下，这就导 致了越小的风。只有在强化颗粒含量很大的情况下，正如a a 6 0 6 1 a 1 2 0 3 2 0 p ， 这种效应才会被高数量的裂纹路径歪斜所补偿，从而升高r ，。 ( 8 ) 微观组织不均匀性 m od e f e n g a ，h eg u o q i u a 3 】等人研究了a 3 1 9 一t 6 铝合金在组织不均匀性 的影响下的低周疲劳性能，观察断口表面和测量元素浓度时分别采用了s e m 和 e d x 技术。低周疲劳寿命很大程度上取决于应变幅度，疲劳寿命随着应变幅度 的增大而减小，在某一应变幅度下疲劳寿命的分散是主要由于明显的孔洞有些了 裂纹的起源。所有被测试样的主要疲劳裂纹都起始于试样外表面附件的孔洞处， 疲劳裂纹起始点的定量分析表明，缺陷尺寸的增加与疲劳寿命的降低有直接关 联。裂纹形核后，硬脆的硅粒子对疲劳裂纹的扩展过程起着很大的作用，不过它 们是疲劳裂纹扩展过程中的障碍吻还是薄弱路径主要取决于裂纹尖端驱动力的 值。裂纹扩展时更容易通过富硅区，断口表面根据硅浓度被分为了三个区域：低 硅区、中硅区和高硅区，它们分别很好地对应着裂纹起始区、稳定裂纹扩展区和 快速断裂区。另外，主轴平行于拉伸轴的细长大粒子比小粒子更容易使裂纹通过。 k v j a t a 2 4 】对7 0 5 0 t 7 4 5l 的f s w 接头和母材的疲劳裂纹扩展速率进行 了对比，研究结果表明：焊核的办d n a k 曲线偏左，热影响区的偏右，母材 的居中。同母材相比，焊核区的疲劳裂纹扩展速率更快，而热影响区的更慢。焊 核区的微观结构和沿晶破坏使其疲劳裂纹扩展抗力有所降低，该区位错密度高， 弥散体夹杂以及第二相粒子钉扎住位错，降低了疲劳裂纹门槛值，加快了裂纹扩 第一章绪论 展速率。而热影响区由于压缩残余应力的存在和裂纹闭合作用，使该区的疲劳裂 纹扩展抗力得到了改善。 ( 9 ) 裂纹起始 a f g o l e s t a n e h ，a i d ya l i 和l v l z a d e h 2 5 】研究了2 0 2 4 t 3 5 l 铝合金f s w 接头 疲劳裂纹萌生的影响因素：硬度、残余应力和外加载荷。研究得出，裂纹起始点 总是出现在f s w 接头硬度很低的位置。为了分析f s w 试样的缺陷水平、裂纹起 始点和断裂机制，对不同应力范围下的断裂试样的断口表面进行了扫描电镜分 析。结果表明外加载荷对裂纹起始位置和尺寸也重要影响，高载荷会增大起始裂 纹长度并使裂纹萌生在离p j l 更远的位置。瓯。，= 2 7 0 脱阳时，最小起始裂纹大 约为o 11 2 m m ，到= 3 0 0 m p a 时，尺寸增长到0 6 2 m m 。所以，预测疲劳寿命 时可以认为h c f ( 3 0 0 m p a ) 的为l m m 。而且裂纹起始点出现在具有较高残余应力的位置，但是当有缺陷存 在时，这种关系就不明显。 ( 1 0 ) 载荷方式 t i a n w e nz h a o ，j i x iz h a n g 和y a n y a oj i a n g 研究了应力比、过载、欠载和高 低顺序加载分别对7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金母材的疲劳裂纹扩展速率的影响。研究得 出，单一的过载会显著延迟裂纹扩展速率，而单一的欠载只对裂纹扩展速率有轻 微的加速影响。当裂纹扩展出了由于超载或欠载造成的塑性区域后，其扩展速率 就会重新恢复正常。 ( 11 ) 疲劳断口s e