Al-Zn-Mg合金焊接接头疲劳裂纹萌生特性研究

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A7N01铝合金是一种典型的Al-Zn-Mg合金,广泛用于高速列车结构,疲劳失效是该合金失效的主要形式。疲劳失效包括了疲劳裂纹萌生和扩展两个阶段,通过断裂力学可以较好的预测疲劳裂纹扩展寿命,但却无法预测裂纹萌生阶段的寿命,而这一阶段甚至能够占据疲劳总寿命的50%以上。本文针对A7N01铝合金焊接接头进行了缺口疲劳试验,考察了焊缝、热影响区和母材的疲劳裂纹萌生特性。实验结果表明,在较高应力幅下,母材和焊缝区的疲劳裂纹萌生寿命差异较小,随着应力幅的降低,母材和焊缝区的裂纹萌生寿命的差别逐渐显现,与母材和焊缝相比,热影响区的疲劳裂纹萌生寿命值波动较大。母材的疲劳总寿命高于热影响区和焊缝的疲劳总寿命,焊缝的疲劳总寿命最低。三个区域疲劳裂纹萌生寿命占总寿命的比例与应力幅无关,该比例与微区性能关系密切,各区差异显著,其中焊缝最高,母材最低。断口分析表明,疲劳裂纹在母材区萌生于富含Fe的未回溶大尺寸第二相粒子,在焊缝区萌生于晶界,晶界上存在元素偏析,热影响区疲劳裂纹萌生于边缘靠近焊趾处。通过显微组织分析发现,第二相粒子在加载前已经碎裂,晶界上有杂质元素Fe和合金元素Cr的富集,气孔主要位于熔合区。利用连续损伤力学,基于微塑性假设构建了焊接接头的高周疲劳损伤模型。在该模型中,不考虑裂纹闭合效应,确定了损伤条件,提出了微塑性应变的对偶变量X,X为对微塑性变形起作用的短程内应力。通过裂纹萌生寿命曲线,对应于7N01铝合金得到损伤模型中的材料参数,确定了预测7N01铝合金焊接接头焊缝区、热影响区和母材的疲劳裂纹萌生寿命的具体表达式,预测了40MPa下焊接接头疲劳裂纹萌生寿命,与试验结果吻合较好。
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