5A06铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为
第 23 卷第 2 期中国有色金属学报 2013 年 2 月 V ol.23 No.2 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Feb. 2013 文章编号：1004-0609(2013)02-0327-09
5A06 铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为
张红霞，吴广贺，闫志峰，裴飞飞，李晋永，王文先，李永莲
(太原理工大学 材料科学与工程学院，太原 030024)
摘 要：对 5A06 防锈铝合金及其焊接接头疲劳性能断裂行为进行研究，采用疲劳试验、光学显微镜、扫描电子 显微镜等手段对 5A06 铝合金的疲劳性能、金相组织、裂纹扩展特征和疲劳断口进行分析。结果表明：在循环次 数为2×10 6 时，铝合金母材、对接接头、横向十字、侧面连接和纵向十字接头的疲劳性能分别为99.97、70.96、
57.48、48.20 和 41.80 MPa；铝合金母材疲劳裂纹起裂于截面最小部位，对接接头和横向十字接头裂纹起裂于焊
趾等应力集中部位，裂纹沿着热影响区扩展；侧面连接接头裂纹起裂于两板连接处应力集中部位，纵向十字接头 裂纹起裂于热影响区； 微观裂纹为沿晶和穿晶混合的扩展特征。 对母材及其焊接接头的宏观断口呈暗灰色纤维状， 具有一定的塑性；接头的微观断口具有准解理特征，断口中存在球状孔洞、疲劳条纹和韧窝，并存在二次裂纹。
关键词：5A06铝合金；焊接接头；疲劳断口；二次裂纹
中图分类号：TG146.2；TG113.25 文献标志码：A
Fatigue fracture behavior of 5A06 aluminum alloy and
its welded joint
ZHANG Hong-xia, WU Guang-he, YAN Zhi-feng, PEI Fei-fei, LI Jin-yong, W ANG Wen-xian, LI Yong-lian
(College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
Abstract: Fatigue testing fracture behavior was researched on 5A06 antirust aluminum alloy and its welded joints. The fatigue properties, microstructure, fatigue crack propagation character and fatigue fracture were investigated by fatigue test, optical microscopy (OM) and scanning electronic microscopy (SEM). Under cycle times of 2×10 6 , the fatigue strengths of base metal (BM), butt joint (BJ), transverse cross joint (TJ), lateral connection joint (LJ) and longitudinal cross joint(LCJ) are 99.97, 70.96, 57.48, 48.20 and 41.80 MPa, respectively. The fatigue crack initiation site is in the smallest section for base metal, the crack initiation is in the weld toe and the crack propagates along the HAZ for the BJ and TJ, the crack initiation is in the fillet weld leg for the LJ, the crack initiation is in HAZ for the LCJ, the micro-crack propagates for transgranular and intergranular. The fatigue macro-fracture shows a dark gray fibrous fracture patterns and has some plasticity, the micro-fracture surface consists of quasi-cleavage patterns, spherical hole, fatigue striation and dimple,and numerous secondary cracks are observed.
Key words:5A06 aluminum alloy? welded joint? fatigue fracture?secondary crack
5A06 铝合金是 Al-Mg 系防锈铝，具有较高的强 度、良好的腐蚀稳定性和焊接性等特点 [1] ，在高强度 的轻型结构中得到广泛应用，用其代替钢铁材料，可 大大减轻构件的质量，是节能、环保的最佳备选材料。 目前， 铝合金焊接结构广泛应用于航空航天 [2?3] 、 汽车、 轨道客车等交通运载工具以及相关的技术领域，这些 结构离不开焊接技术的支持，并且都承受疲劳载荷的 作用。
疲劳断裂是金属结构尤其是焊接结构失效的一种 主要形式。在焊接结构的失效中，因交变载荷引起的
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175364)
收稿日期：2012-03-29；修订日期：2012-09-10
通信作者：李永莲，高级实验师；电话：0351-6010076；E-mail: liyonglian0916@https://www.wendangku.net/doc/3e6468864.html,
中国有色金属学报 2013 年2 月 328
疲劳断裂事故占机械结构失效总数的 80%~90% [4?5] ， 一旦发生疲劳破坏事故，往往给人们的生命财产带来 灾难性的损失。随着科技的发展，人们对金属材料的 性能要求变得更高，使得材料的疲劳性能研究变得尤 为重要 [6] 。
目前，国内外对于铝合金的研究主要集中在先进 焊接方法研究 [7?8] 、铝合金疲劳性能 [[9?10] 、铝合金疲劳 行为 [11?12] 和裂纹扩展速率 [13] 等方面；研究发现影响铝 合金及其焊接接头疲劳性能的因素有：微观组织 [14] 、 焊缝几何特征 [4] 、焊接参数 [15] 、机械处理方法 [16] 和焊 接残余应力 [17] 等。这些研究主要分析了铝合金及其对 接接头的疲劳性能和相关的影响因素，而针对 5A06 防锈铝合金不同焊接接头疲劳断裂行为的研究涉足较 少。由于防锈铝合金结构件的结构形式多样，并且多 用于循环载荷加载的情况下，因此，研究动载荷作用 下铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为具有的理论价 值和现实意义。
本文作者对 5A06 防锈铝合金母材及其对接、横 向十字、侧面连接和纵向十字接头形式的焊接接头进 行疲劳试验，并分析母材及其接头的疲劳性能、裂纹 启裂部位及扩展特征， 对疲劳断裂机理进行初步探讨。
1 实验
1.1 试验材料
试验采用10 mm厚的挤压成型5A06 H112铝合金 板，焊接材料选用直径3.2 mm的ER5356焊丝，其化 学成分见表1，室温力学性能见表2。
1.2 焊接工艺
铝合金焊接接头均采用手工TIG焊进行焊接，焊 接设备为联合汇力的 300GP 型 AC/DC TIG 电焊机。 焊丝在焊前用砂纸打磨，去除表面氧化膜，焊接工艺 参数如表3所示。
表1 5A06铝合金和ER5356焊丝化学成分
Table 1 Chemical compositions of 5A06 and ER5356 (mass fraction,%)
Alloy Mg Mn Zn Fe Si
5A06 6.0 0.70 0.20 0.40 0.40 ER5356 5.44 0.147 0.011 0.151 0.064
Alloy Cu Ti Be Others
5A06 0.10 0.03 0.0002 0.10
ER5356 0.0079 0.129 0.102 表2 5A06铝合金和ER5356板材室温力学性能
Table 2 Mechanical properties of 5A06 and ER5356 at room temperature
Alloy
Tensile
strength/MPa
Yield
strength/MPa
Elongation/
%
5A06 220?250 110?250 7?8
ER5356 230 180 8
表3 焊接工艺参数
Table 3 Welding process parameters
Joint
type
Welding current,
I/A
Welding voltage,
U/V
Welding speed,
ν/(mm?s ?1 ) BJ 170?180 12?15 2.8?3.0
TJ 170?180 12?15 2.4?2.9
LJ 180?190 12?15 2.4?2.9
LCJ 170?180 12?15 2.5?2.9
1.3 试验过程
铝合金母材的疲劳试样经机械加工直接成型；对 接接头和横向十字接头试样先焊接然后再机械加工成 型，侧面连接和纵向十字接头试样先机械加工成型然 后进行焊接。铝合金母材及焊接接头的试样形状和尺 寸如图1所示。
1.4 试验设备
本试验使用PLG?200D数字化高频拉压疲劳试验 机进行试验，室温条件下进行，最大交变负荷为 100 kN，静负荷示值相对误差≤±1%，交变负荷波动度 为 0.5%FS，平均负荷波动度为 0.5%FS。采用的载荷 类型为拉?拉载荷，加载频率 f=111~116 Hz，应力比 r=0。
2 结果与分析
2.1 显微组织观察
采用光学显微镜对 5A06 铝合金及其焊接接头进 行金相组织分析。图 2 所示为母材横截面的金相分析 结果。由图 2 可发现材料晶粒为混晶组织，在晶内和 晶界有析出物存在。
图3(a)所示为对接接头焊缝中心金相照片， 图3(b) 所示为焊缝热影响区金相照片。由图 3可以看出，焊 缝及其热影响区在冷却时晶界上均有析出相产生，且 由于焊接加热过程中热作用的影响，焊接热影响区组 织比较粗大，并且晶粒大小不均匀。
第 23 卷第 2 期 张红霞，等：5A06 铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为 329
2.2 疲劳试验结果
疲劳强度与循环次数之间的关系，即疲劳 S—N 曲线以指数形式表示为
S m N=C (1) 以对数形式表示为 lg N =lg C?m lg S (2) 式中：S 为疲劳强度，在本实验中用应力范围s
D 表 示；N为循环次数；m和C为拟合的常数。对疲劳数 据可用最小二乘法拟合得出上述表达式，并求出 N= 2×10 6 循环次数下相应的疲劳强度和不同应力水平下图 1 5A06 铝合金母材及焊接接头疲劳试
件形式及尺寸
Fig. 1 Version and size of 5A06 aluminum
alloy fatigue specimen (Unit: mm): (a) Base
metal? (b) Butt joint? (c) Transverse cross joint?
(d) Lateral connection joint? (e) Longitudinal
cross joint
中国有色金属学报 2013 年2 月
330 图2 5A06铝合金母材金相组织 Fig. 2 Metallograph of 5A06 base metal
的疲劳寿命，然后进行比较分析。
5A06 铝合金母材及焊接接头的疲劳试验结果见 表 4。由表 4 可知，母材试样 1~6 疲劳断裂部位均在
试件中部标段内，试样8~9经过5×10 6
次循环后未发
生断裂；4 种焊接接头试样 1~7 疲劳断裂部位为焊趾
部位， 试样8~9经过5×10 6 次循环后未发生疲劳断裂。
根据表 4 的疲劳数据绘出 5A06 铝合金母材及其 焊接接头的名义应力中值 S —N 曲线，如图 4 所示， 其曲线参数见表 5。由图 4 中可知，对应于 50%存活 率母材的疲劳强度为 99.79 MPa ，对接接头、横向十 字接头、侧面连接接头和纵向十字接头的疲劳强度分 别为70.96、57.48、48.20和41.80 MPa ，焊接接头的 疲劳性能低于母材的。
由表 5 和图 4 的 S —N 曲线可以看出，铝合金焊 接接头的疲劳性能依赖其接头型式，不同焊接接头型
式疲劳性能差别较大，对接接头疲劳性能为母材的
图3 铝合金对接接头金相组织
Fig. 3 Metallographs of 5A06 aluminum alloy butt joint: (a)Weld center? (b) HAZ
71.1%，横向十字接头、侧面连接接头和纵向十字接 头的疲劳强度分别为母材的57.6%、48.3%和41.9%。 造成这种结果的原因是由于焊接接头中存在应力集中 和焊接残余应力， 不同接头形式的应力集中程度不同， 最终导致不同接头形式的疲劳性能差别较大。
表4 5A06铝合金疲劳及其接头的试验结果
Table 4 Fatigue test results of 5A06 aluminum alloy and its welded joints Nominal stress range,D s nom /MPa Cycle number/10
6
Disabled position
Sample No. Base metal BJ TJ LJ LCJ Base metal BJ TJ
LJ
LCJ
Base metal
Welded joint 1 120 90 80 75 80 0.635 0.392 0.311 0.582 0.192 In gage length Weld toe 2 115 85 75 70 70 1.177 0.652 0.339 0.687 0.410 In gage length Weld toe 3 110 80 70 65 65 0.682 1.032 0.685 0.545 0.359 In gage length Weld toe 4 105 75 65 60 60 1.050 3.078 0.733 0.735 0.594 In gage length Weld toe 5 100 70 60 55 55 1.958 1.576 0.899 0.848 0.570 In gage length Weld toe 6 90
65
55
50 50 2.958
2.043 2.389 1.589 0.605 In gage length
Weld toe 7 45 45 2.132 1.198 In gage length
Weld toe 8 95 60
50
40
40 5.104 5.000 7.511 5.000 1.584
Unfaulted Unfaulted 9
85
35
5.038
5.300
Unfaulted
Unfaulted
第 23 卷第 2 期 张红霞，等：5A06 铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为
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图4 铝合金5A06焊接接头的S —N 曲线
Fig. 4 S —N curves of 5A06 Al alloy and its welded joints
表5 5A06铝合金焊接接头名义应力S —N 曲线参数 Table 5 Parameters of S —N curves for 5A06 aluminum alloy and its welded joints
Material constant,m
Joint type Result Deviation Material constant, C m Fatigue stress range, Δσm /MPa Correlation
coefficient,
r Base
metal 7.69
0.17 4.78×10 21
99.97 0.901 BJ 6.78 0.19 7.01×10 18
70.96 0.895 TJ 6.96 0.15 3.52×10 18
57.48 0.958 LJ 3.78 0.14 4.60×10 12
48.20 0.953 LCJ
3.77
0.13
2.45×10
12
41.80
0.937
2.3 裂纹起裂和扩展特征 2.
3.1 宏观裂纹起裂和扩展特征
对 5A06 铝合金母材及其焊接接头的疲劳起裂位 置进行分析，结果如图5
所示。
图5 铝合金及其焊接接头疲劳断裂位置
Fig. 5 Fatigue fracture position of aluminum alloy and its welded joint: (a) Base metal? (b) Butt joint? (c) Transverse cross joint? (d) Lateral connection joint? (e),(f) Longitudinal cross joint
中国有色金属学报 2013 年2 月 332
图 5(a)所示为母材疲劳试验后疲劳裂纹的产生部
位照片，由图 5(a)可以发现，母材起裂于疲劳试件的 最小截面部位， 然后沿垂直于载荷的方向扩展。 图5(b) 所示为对接接头裂纹起裂位置，图 5(c)所示为横向十 字接头裂纹起裂位置，可以发现两种接头裂纹均沿焊 趾部位起裂，裂纹在试件表面均沿熔合线方向扩展， 在横截面沿着热影响区扩展；对接接头焊缝有的裂纹 起裂于试件中间热影响区部位；图 5(d)所示为侧面连 接接头裂纹起裂位置，裂纹启裂于两试板连接处的应 力集中部位，并沿垂直于载荷的方向扩展；图 5(e)和 (f)所示为纵向十字接头裂纹的起裂部位和扩展方向， 裂纹起裂于热影响区部位， 沿着垂直于载荷方向扩展。
2.3.2 微观裂纹扩展特征
对 5A06 铝合金母材及其对接接头的疲劳裂纹微 观扩展特征进行分析，其结果如图6和7所示。
图6(a)所示为母材疲劳裂纹扩展微观照片，
图6(b) 所示为疲劳裂纹尖端扩展特征，图 6(c)所示为图 6(b) 中局部的放大照片，可以发现裂纹宏观观察时为平滑 扩展，但在微观下疲劳裂纹扩展曲曲弯弯，在裂纹的 扩展过程中沿着与主裂纹不同方向有二次裂纹，但这 些二次裂纹扩展的距离比较短，主裂纹以垂直于载荷 的方向扩展；裂纹扩展为沿晶和穿晶的混合特征。
图 7 所示为对接接头裂纹扩展照片，可以发现疲 劳裂纹沿着焊缝生长方向扩展，呈弯曲的扩展特征。
材料中夹杂物或第二相粒子的存在能够阻碍裂纹 的扩展，改变裂纹的扩展途径，增加了裂纹扩展的曲 折度从而阻碍裂纹的扩展 [6] 。
2.4 断口分析
2.4.1 宏观断口分析
铝合金母材及其焊接接头的宏观断口如图 8 所 示。图 8(a)和(b)所示为对接接头宏观断口，裂纹起裂 于焊缝热影响区(图 8(a))或板材横断面棱角部位(图 8(b))，裂纹扩展为弧形扩展特征；图 8(c)和(d)所示为 侧面连接接头的宏观断口，裂纹起源于主板和侧板连 接的焊接接头应力集中部位或者焊接缺陷部位，然后 呈弧形扩展； 图8(e)所示为纵向十字接头的宏观断口， 可以发现裂纹起裂于承载板与非承载板相连的焊缝热 影响区部位，然后沿着垂直于载荷方向扩展。由图 8 可以发现，铝合金断口呈暗灰色纤维状，宏观断口具 有一定的塑性特征。
2.4.2 微观断口分析
对铝合金焊接接头的疲劳断口进行 SEM 电镜扫 描观察，结果如图9所示。
图6 铝合金疲劳裂纹扩展微观照片
Fig. 6 Microstructure showing fatigue crack propagation of aluminum alloy: (a) Crack? (b) Crack tip? (c) Partially enlarged
image of Fig.6(b)
图7 铝合金对接接头疲劳裂纹扩展微观照片
Fig. 7 Microstructure showing fatigue crack propagation of aluminum alloy butt joint
第 23 卷第 2 期 张红霞，等：5A06 铝合金及其焊接接头的疲劳断裂行为 333
图8 铝合金焊接接头疲劳断口宏观形貌
Fig. 8 Macrostructure of fatigue fractures of aluminum alloy welding joint: (a) Butt joint? (b) Transverse cross joint? (c),(d) Lateral connection joint? (e) Longitudinal cross joint
图9 铝合金焊接接头的疲劳断口SEM像
Fig. 9 SEM images of fatigue fracture sections of aluminum alloy joints: (a) Butt joint? (b), (c), (d), (e) Transverse cross joint? (f) Lateral connection joint? (g),(h) Longitudinal cross joint
中国有色金属学报 2013 年2 月 334
图 9(a)所示为对接接头疲劳断口，断口中存在较 多的球状孔洞，其孔洞周围分布着疲劳变形过程中留 下的龟裂组织，少量孔洞中存在着夹杂相，断口为解 理特征断口。图 9(b)~(e)所示为横向十字接头的疲劳 断口，由图 9(b)中可以看出，断口上存在解理台阶。 由图 9(d)可以看出，断口中存在二次裂纹，在循环应 力加载过程中，产生许多尺寸较小的二次裂纹，在最 终的疲劳断口上体现为龟裂形貌。图 9(e)所示的断口 中发现在裂纹扩展区中存在疲劳条纹，条纹基本上垂 直于裂纹扩展方向，它的出现是疲劳裂纹稳定扩展的 重要特征；另外，断口中还存在少量二次裂纹。图9(f) 所示为侧面连接接头的微观疲劳断口，可以发现裂纹 起源于材料棱角部位；由图中可以看出，疲劳裂纹萌 生后，由源区出发向前扩展的裂纹，由于裂纹前沿的 阻力不同，而发生扩展方向上的偏离，此后裂纹开始 在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相交而形成 台阶，这些台阶在断口上构成了放射状。图9(g)和(h) 所示为纵向十字接头微观断口，对其放大后发现，断 口由细小的韧窝组成，铝合金焊接接头在外部拉应力 的作用下，材料在微区范围内塑性变形产生的显微空 洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接导致断裂后 在断口表面形成韧窝。断口中存在许多球状孔洞。
由以上分析可以发现，铝合金焊接接头的断口具 有准解理断裂的特征，断口中存在球状孔洞、疲劳条 纹、韧窝，并有二次裂纹存在。
3 结论
1) 5A06 铝合金母材及其焊接接头的疲劳试验结 果为母材的疲劳强度为 99.97 MPa；对接接头、横向 十字接头、侧面连接接头和纵向十字接头的疲劳强度 分别为70.96、57.48、48.20和41.80 MPa。
2) 5A06 铝合金母材疲劳试验裂纹起裂部位为段 标内截面最小部位，对接接头和横向十字接头裂纹起 裂于焊趾部位，侧面连接接头裂纹起裂于两板连接处 的应力集中部位，纵向十字接头裂纹起裂于热影响区 部位，微观裂纹扩展过程为沿晶和穿晶混合特征。
3) 铝合金的疲劳断口中存在球状孔洞、疲劳条 纹、韧窝和二次裂纹，具有准解理断裂的特征。
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金属疲劳试验方法
铝合金疲劳实验 李慕姚 1351626 一﹑实验目的 1. 观察疲劳失效现象和断口特征。 2. 了解测定材料疲劳极限的方法。 二、实验设备 1. 疲劳试验机。 2. 游标卡尺。 三﹑实验原理及方法 在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值 r=m ax m in σσ （2-16） 称为循环特征或应力比。在既定的r 下，若试样的最大应力为σ 1m ax ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力为σ1 m ax 时的疲劳寿命（简称寿 命）。实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。表示最大应力σmax 与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。碳钢的S-N 曲线如图2－31所示。从图线看出，当应力降到某一极限值σr 时，S-N 曲线趋近于水平线。即应力不超过σr 时，寿命N 可无限增大。称为疲劳极限或持久极限。下标r 表示循环特征。 实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限σr 。而把N 0=107称为循环基数。有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N 0,例如取N 0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
图２-31 疲劳试验曲线图 工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出σmax ，并称之为疲劳强度。它有别于上面定义的疲劳极限。 用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限σ-1.设备简单最常使用。各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2-32为这类试验机的原理示意图。试样1的两端装入左右两个心轴2后，旋紧左右两根螺杆3。使试样与两个心轴组成一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上。载荷P 通过加力架作用于“梁”上，其受力简图及弯矩图如图2-33所示。梁的中段（试样） 为纯弯曲，且弯矩为M=21 P ɑ。“梁”由高速电机6带动，在套筒7中高速旋转，于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，若试样的最小直径为d min ，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为 max σ＝I Md 2min ， min σ＝-I Md 2min (2-17) 式中I=64π d 4 m in 。试样每旋转一周，应力就完成一个循环。试样断裂后，套筒压迫停止开关使试验机自动停机。这时的循环次数可由计数器8中读出。 四﹑实验步骤 （1）测量试样最小直径d min ； （2）计算或查出K 值；
焊接结构疲劳强度相关知识
焊接结构疲劳强度相关知识 1.焊接结构疲劳失效的原因 焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；②早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；⑤焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。 2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素 2.1 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响 在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。 但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳
强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。Maddox研究了屈服点在386—636MPa之间的碳锰钢和用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。只有在应力比大于+0.5的情况下，静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强钢。 造成上述结果的原因是由于在接头焊趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半经小于0.015mm。该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。 2.2 应力集中对疲劳强度的影响 2.2.1 接头类型的影响 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。 对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。但实验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，这是因为有一系列因素影响对接接头的疲劳性能的缘故。如试样的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后的焊缝加工、焊后的热处理等均会对其发生影响。具有永久
铝合金结构腐蚀疲劳裂纹扩展与剩余强度研究_张有宏
第28卷 第2期航 空 学 报 Vo l 128No 12 2007年 3月ACT A A ERON A U T ICA ET A ST RO N AU T ICA SIN ICA M ar. 2007 收稿日期:2005-11-18;修订日期:2006-06-12通讯作者:张有宏E -mail:zyhnpu@hotm https://www.wendangku.net/doc/3e6468864.html, 文章编号:1000 -6893(2007)02-0332-04铝合金结构腐蚀疲劳裂纹扩展与剩余强度研究 张有宏1,吕国志1,李 仲1,2,陈跃良3,任克亮1 (11西北工业大学航空学院,陕西西安 710072)(21中国飞机强度研究所,陕西西安 710065)(31海军航空工程学院青岛分院,山东青岛 266041) Investigation on Corrosion Fatigue Crack Growth and Residual Strength of Aluminum Alloy Structure ZH A NG You -hong 1 ,LU Guo -zhi 1 ,LI Zho ng 1,2 ,CH EN Yue -liang 3,REN Ke -liang 1 (11Scho ol o f A eronautics,N or thwest Po ly technical U niversity,Xi c an 710072,China) (21A ir cr aft Streng th R esear ch Institute of China,X i c an 710065,China) (31Q ing dao Br anch,Nav al A ero nautical Eng ineering Academy,Qing dao 266041,China) 摘 要:在315%N aCl 腐蚀溶液环境下对含中心孔L Y12CZ 铝合金紧固件的疲劳裂纹扩展进行了试验研究,得到3种不同频率下紧固件的腐蚀疲劳裂纹扩展曲线。试验结果说明,随着频率的增加,腐蚀疲劳裂纹扩展速率逐渐降低,腐蚀溶液中疲劳裂纹扩展速率比在空气中大。以试验数据为基础,结合裂纹扩展分析软件AF GRO W,提出一种可以用数值方法模拟腐蚀疲劳裂纹扩展的方法,模拟结果和试验结果符合较好。对紧固孔试验件利用2种失效模式进行了剩余强度分析,得到腐蚀环境下紧固孔结构的剩余强度曲线。关键词:铝合金;腐蚀疲劳;剩余强度;裂纹扩展;加载频率中图分类号:V 21512;V21615 文献标识码:A Abstract:T he fatig ue cr ack pro pag atio n behavio r o f L Y 12CZ aluminum allo y fastener involving center ho le in 315%N aCl solut ion is investig ated.T he cor rosio n fat igue crack g ro wth cur ves of the specimens at three differ -ent fr equencies are pr esented.Ex per iment al research show s that the cor ro sion fat igue cr ack g row th rate decrea -ses with the incr easing of the loading f requencies,and in co rr osiv e enviro nment,the crack gr ow th rate is lar ger than the rate in air.Based on the ex per iment results,using the A FG RO W so ftwar e,the numer ical simulation met ho d is car ried out to analyze the cor rosion fatig ue crack g row th behavio r;and the pr edict ed r esults are in goo d ag reement w ith the ex perimental r esults.Finally ,the residual strength analy sis o f the specimen using two failur e mo des separ ately is carr ied o ut,and the r esidual st rength curv e of fastener structure in co rr osiv e env -i r onment is obtained. Key words:a luminum allo y;co rr osio n fatigue;r esidual str eng th;cr ack g row th;loading fr equency 在沿海地区服役的老龄飞机,机体结构腐蚀相当严重。腐蚀和疲劳载荷的共同作用严重降低了机体结构寿命和剩余强度,给飞机结构安全性 带来了严重的挑战。在腐蚀环境下疲劳裂纹更易于产生且扩展速率比空气中更快,使得机体结构往往提前失效断裂。但是腐蚀对疲劳寿命和结构安全性的影响尚未完全理解,对机体材料的腐蚀疲劳试验开展得还很少,深入研究腐蚀环境下机体结构的寿命评估问题,成为一个紧迫的任务。在机体结构中,存在大量的通孔紧固件,在沿海腐蚀环境下紧固件处是发生腐蚀损伤的主要位置之一,给整个机体结构带来一定的安全隐患。为此,本文进行了紧固孔的腐蚀疲劳裂纹扩展试验,并利用数值方法对紧固件结构的腐蚀疲劳问题进行 了模拟,为腐蚀环境下服役机体结构的安全性评估提供一定的参考。1 试验及方法 试验件采用含中心孔的LY12CZ 铝合金平板结构。试验件尺寸为300mm @70m m @3m m,中心孔直径为2mm,在中心孔边垂直于加载方向预制两条对称的切口,长度均为1mm 。 在对试验件进行疲劳试验的时候,在试验件夹持处布置自制的透明塑料溶液槽,使其中盛放的315%NaCl 溶液对试验件产生腐蚀作用,进行 试验件的腐蚀疲劳研究。在试验进行过程中,用高倍显微镜测量裂纹长度,直到试验件断裂为止,并记录相应的循环数。利用七点拟合法得到裂纹的扩展速率。 疲劳试验在室温条件下进行,对试验件采用
铝及铝合金的焊接特点
铝及铝合金的焊接特点 (1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。 （2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显着，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。 （3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹
及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显0.5． 着提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi条(硅含量4．5％～6％) 焊丝会有更好的抗裂性。 （4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。 （5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。 （6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 （7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。 （8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。 2. 焊接方法 几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对
7075_T651铝合金疲劳特性研究
第30卷 第4期 2010年8月 航 空 材 料 学 报 J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS V o l 130,N o 14 A ugust 2010 7075-T651铝合金疲劳特性研究 韩 剑, 戴起勋, 赵玉涛, 李桂荣 (江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013) 摘要:在不同的应力幅值下测试了7075-T651铝合金的疲劳寿命,拟合试验数据得到合金S -N 曲线,估算疲劳极限为223M P a 。用扫描电镜观察高低应力幅值下的疲劳试样断口,结果表明:合金的加工缺陷或粗大夹杂处往往为裂纹源,裂纹扩展伴随着小平面断裂的发生,高应力幅下疲劳裂纹扩展区出现犁沟和轮胎花样,而低应力幅下的疲劳裂纹扩展区中除有大量疲劳条带外,还出现了疲劳台阶和二次裂纹。合金的疲劳瞬断区则存在着撕裂棱与等轴韧窝。弥散分布的微小析出相对合金的疲劳性能有着积极的影响。关键词:7075-T 651铝合金;S -N 曲线;疲劳断口DO I :1013969/j 1i ssn 11005-505312010141018 中图分类号:TG146121 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2010)04-0092-05 收稿日期:2009-04-21;修订日期:2009-06-16基金项目:国家863高技术研究项目(2007AA 03Z548)作者介绍:韩剑(1984)),男,硕士研究生,从事高强铝合金组织与性能方面的研究,(E -m a il)han ji an_m oon @yahoo .com .cn 通讯作者:戴起勋,男,教授,博士生导师,(E -m ail)qxda i @u j s .edu .cn 。 7075合金是美国较早开发的一种铝合金,是航空航天领域广泛使用的一种轻型结构材料。近年来,因其强度高、重量轻的特性也在其他领域得到广 泛应用,例如攀岩设备及自行车零件都普遍使用7075铝合金 [1~4] 。在对7075合金所开展的研究工 作中,其疲劳性能因与实际应用联系较为密切,是一 个极有理论意义和应用价值的课题,目前虽然已有许多科研工作者对其进行了广泛的研究 [5~8] ,但对 其疲劳断裂机理研究却不多。为了进一步深化研究,充分挖掘7075铝合金的使用潜力,本研究对时效 7075-T651铝合金材料在不同应力幅下的疲劳断裂机理进行了研究。 1 试验材料和方法 试验材料为A lcan 生产的厚度为23mm 的7075-T651铝合金成品板材,合金成分如表1所示。合金抗拉强度达到580M Pa ,屈服强度为570M Pa ,断后伸长率为8%。 表1 试验合金成分(质量分数/%) T able 1 T he component o f alu m i nu m a lloy (m ass fracti on /%) Zn M g Cu M n T i C r N i Fe S i A l 5.68 2.40 1.63 0.14 0.22 0.18 0.044 0.18 0.06 Ba.l 疲劳试验在PLA30050疲劳试验机上进行,参照GB /T 4337)1984制成标准圆棒光滑试样。试验在室温下进行,应力水平设置在518MPa 到200MPa 之间测试轴向应力疲劳性能,疲劳试验的应力比R =-1,即轴向拉压对称加载,控制波形为正弦波,循环加 载频率为20H z 。试样在机器上循环加载直至断裂,记录加载周次。将疲劳断口完整切下,浸于酒精中在超声波清洗仪中清洗,而后在JS M-7001F 型扫描电子显微镜下进行断口形貌观察和分析,并用扫描电镜自 带的I nca Ener gy 350能谱仪作EDS 分析。 2 试验结果与分析 2.1 疲劳寿命曲线 将测得的试验数据拟合得到S-N 曲线(图1),数据点基本平均分布在曲线两侧,较为吻合。S-N 曲线没有水平部分,只是随着应力的降低,循环周次不断增大。通常,如果材料应力循环107 周次不断
焊接结构作业2014
焊接结构作业1 1. 简述焊接结构的特点（优势与不足）。 2. 简述构件焊接性的含义，哪些因素影响构件焊接性？ 3. 比较电弧焊（MIG ）与电阻焊（点焊）过程中产热机构、散热机构和热量传递方式方面 的差异。 4. 哪些因素会影响MIG 过程产热及散热？ 焊接结构作业2 1. 举例说明焊接结构过程中涉及到几种热量传递方式。 2. 比较交流TIG 焊与电阻焊的有效热功率的差异。 3. 什么是焊接热循环？描述焊接热循环的参数有哪些？ 4. 请在典型焊接热循环曲线上标出各热循环参数并解释其意义。 5. 比较长段多层焊与短段多层焊的特点和使用范围。 焊接结构作业3 1. 什么是内应力?有什么特点? 2. 内应力的分类（作用范围划分）、温度应力产生原因。 3. 什么是自由变形、内部变形、外观变形？之间有什么关系？ 4. 画出低碳钢的屈服极限随温度的变化曲线。 5. 简述长板条中心加热条件下的变形及应力产生分布情况。 6. 长板条中心加热—冷却后残余应力的产生机理（过程） 焊接结构作业4 1. 长板条一侧加热—冷却后，残余应力的产生及分布情况。 2. 长板条一侧加热时变形及应力的演变过程。 3. 以低碳钢平板条中心焊接为例说明焊接温度场与对应高温时的应力分布情况。 4. 说明受拘束体在热循环中应力与变形的演变过程。（以低碳钢为例）分三种情况 焊接结构作业5 1. 某种钢材（（T s=960MPa的杆两端完全拘束的条件下温升多少才屈服？（注： E=210GPa, -6 a =1.2 X 10 ）。
2. 某种钢材（（T s=300MPa的杆两端完全拘束，环境温度为30C，问在均匀的加热的
综述-铝合金疲劳及断口分析报告
文献综述 （2011级） 设计题目铝合金疲劳及断口分析 学生姓名胡伟 学号201111514 专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师 院系名称材料科学与工程学院 2015年4月12日
铝合金疲劳及断口分析 1 绪论 1.1 引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。 现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史 在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国
综述焊接接头断裂形式及断口特征
综述焊接接头断裂形式及 断口特征 姓名： XXXXXXXXX 学号： 03080222 系别：数控与材料工程系 专业：焊接技术及自动化 学制：三年制 指导教师： XXXXXXXXXXXX
综述焊接接头断裂形式及断口特征 摘要 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。熔池金属在经历一系列化学冶金反应后，随着热源远离温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝，并在继续冷却中发生固态相变熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将发生不同的组织变化。很多焊接缺陷如气孔、夹杂裂纹等都是在上述过程中产生，因此了解接头组织与性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 焊接结构在较低的温度下工作可能导致焊接结构的低温脆断。焊接接头中又不可避免的存在应力集中和残余应力，在反复的交变应力作用下会发生疲劳断裂。本文通过对焊接接头的分析分别从宏观和微观的角度阐述了焊接接头的断裂形式和断口特征。 关键词 残余应力、应力集中、断口特征、疲劳断裂、脆性断裂
目录 引言 (4) 第一章焊接接头的基本理论 (5) 第一节焊接接头的基础知识 (5) 1.1焊接接头的组成 (5) 1.2焊接接头的基本形式 (5) 第二节电弧焊接头的工作应力 (6) 2.1应力集中的概念 (6) 2.2产生应力集中的原因 (6) 第二章焊接结构的断裂控制与失效分析 (7) 第一节焊接接头的断裂形式 (7) 1.1断裂形式的分类 (7) 1.2焊接接头的疲劳断裂 (7) 1.3焊接接头的脆性断裂 (7) 第二节焊接结构断裂控制与失效分析 (8) 2.1焊接结构的完整性与不完整性 (8) 2.2焊接结构断裂的控制 (8) 2.3焊接结构断裂控制设计 (9) 2.4焊接结构断裂失效分析 (9) 第三章焊接接头的组织与性能 (14) 第一节焊接熔合区的特征 (14) 1.1熔合区形成的原因 (14) 第二节焊接热影响区 (14) 2.1焊接热影响区热循环的特点 (14) 2.2焊接热影响区的组织分布特征及性能 (15) 第四章焊接接头断口特征 (16) 第一节焊接接头疲劳断裂的断口分析 (16)
焊接结构习题库
焊接结构 一、焊接结构的特点 焊接结构的特点包括： （1）焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大。 因为焊接结构中焊缝与基本金属组成一个整体，并在外力作用下与它一起变形。因此焊缝的形状和布置必然影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化。从而严重影响结构的脆断和疲劳。 （2）焊接结构有较大的残余应力和变形 绝大多数焊接方法采用局部加热，故不可避免会产生内应力和变形。焊接应力和变形不但容易引起工艺缺陷，而且影响结构的承载能力，此外还影响结构的加工精度和尺寸稳定性。 （3）焊接结构具有较大的性能不稳定性 由于焊缝金属的成分和组织与基本金属不同，以及焊接接头所经受的不同热循环和热塑性应变循环，焊接接头不同区域具有不同性能，形成一个不均匀体。（4）焊接接头的整体性 这是区别于铆接结构的一个重要特性，一方面赋予焊接结构高密封性和高刚度，另一方面由带来了问题，例如止裂性能差。 二、影响脆性断裂的因素 （一）应力状态的影响 （1）不同的应力状态：如果最大正应力首先达到正断抗力，则发生脆性断裂，如果剪应力先达到屈服极限，则产生塑性变形，形成塑性断裂，达到剪断抗力时，产生剪断。 （2）不同材料同一应力状态。 （3）缺口效应：虽然整个结构件处于单轴拉伸状态，但由于其局部设计不佳或存在缺陷导致出现三轴应力状态的缺口效应。 （二）温度的影响 随着温度的降低，出现脆性断裂的倾向变大。脆性转变温度越低，可使用温度范围越大，材料抗脆断能力好。 （三）加载速率的影响 提高加载速率会促使材料脆性破坏。当有缺口时，由于缺口处有应力、应变集中，缺口扩展速率增大，导致脆性断裂的发生。 （四）材料状态的影响 （1）厚度的影响：厚度增大，脆断倾向增大。 原因：a、厚板在缺口处易形成三轴拉应力，因为厚度方向的收缩和变形受到限制，形成所谓的平面应变状态，使材料变脆。 b、冶金因素：厚板轧制次数少，终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。 （2）晶粒度影响：晶粒越细，脆性—延性转变温度越低。 （3）晶格结构：面心立方晶格较好。 （4）化学成分：C、N、O、H、S、P增加脆性，Mn、Ni、Cr、V适量加入有助于减少脆性。
铝及铝合金焊接 (2)要点
xx职业技术学院 毕业设计（论文）题目铝及铝合金焊接工艺适应性研究 系别材料工程系 学生姓名xxxx 学号1002040135 专业名称焊接技术及自动化 指导教师xx 2012年12月4日
摘要 铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展, 对铝合金焊接结构件的需求日益增多, 使铝合金的焊接性研究也随之深入。掌握铝合金的焊接性特点、焊接操作技术、接头质量和性能、缺陷的形成及防止措施等, 对正确制定铝合金的焊接工艺, 获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义。铝的重量轻和耐腐蚀是其性能的两大突出特点, 纯铝的密度约为2.7 g/cm3, 仅为铁、铜密度的1/3；铝及铝合金的表面易生成一层致密、牢固的Al2O3保护膜，这层保护膜只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会遭到破坏，因此具有很好的耐大气（包括工业性大气和海洋大气）腐蚀和水腐蚀的能力，能抵抗多数酸和有机物的腐蚀。采用缓蚀剂，可耐弱碱液腐蚀；采用保护措施，可以提高铝合金的耐蚀性能。在各种牌号的变形铝及铝合金中，铝锰和铝镁合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并具有优秀的抗蚀性和焊接性能。 铝及铝合金焊接特性氩弧焊
绪论 有色金属non-ferrous metal，狭义的有色金属又称为非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。随着科学技术的发展，有色金属的应用日趋广泛。虽然有色金属只占金属总量的5%左右，但有色金属在工程应用中的重要作用确实钢铁或其他材料无法代替的。有色金属具有特殊的性能，比常规钢铁材料的焊接更复杂，这给焊接工作带来很大的困难。 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
结构疲劳分析技术新进展
媒体文章 结构疲劳分析技术新进展 安世亚太 雷先华 众所周知，疲劳累积损伤是导致航空产品结构失效的主要原因之一，而结构失效往往给航空器带来灾难性后果，因而在现代航空产品设计中通常要求进行较为准确的结构疲劳寿命预测。由于疲劳的形式和影响结构疲劳的因素都非常繁多，因而并没有一套放之四海而皆准的疲劳寿命预测算法，多数算法都只能在某些特定情况下才能获得满足工程精度要求的预测结果。现代疲劳分析软件通常需要在通用疲劳算法的丰富性和先进性（核心）、有限元应力应变计算的准确性和精确性（基础）、以及针对特殊疲劳问题进行处理的方法多样性和完整性（全面）等方面进行持续不断的改进方能较好地满足工程设计的要求。下面我们以安世亚太高级疲劳分析软件Fe-safe为例，简要阐述其在这些方面的新进展。 1．基于临界平面法的精确多轴疲劳算法 航空器上的零部件通常都是在多轴疲劳载荷作用下工作，此时，材料的循环应力应变关系由于受到加载路径的影响而变得相当复杂。目前，多轴疲劳破坏的准则主要有三大类：应力准则、应变准则和能量准则。众多分析及试验对比证明，组合最大剪应变和法向应变的Brown-Miller准则和Wang-Brown准则对于韧性材料具有最好的计算精度，而主应变准则则适合于脆性材料。 对于航空结构中常见的、而且是最复杂的多轴非比例加载情况，由于载荷间的相位关系在不断变化，结构中每个位置点处的主应力/应变、最大剪应力/应变等参数的方向（所在平面）都是随加载历程而不断变化的，也就是说损伤累积在每个位置处都有方向性。对于很多软件所采用的Wang-Brown准则，它无法直接考虑这种方向变化性，只是利用了一个附加的材料参数来考虑法向应变对裂纹萌生的影响。 Fe-safe独特地提供了“临界平面”算法来配合Brown-Miller准则、主应变准则等，以获得最好的计算精度。临界平面法的核心思想是：将每个位置处的应变分解到按某种规律变化的一系列平面上，计算每个平面上的损伤，以这些平面中的最小寿命作为该位置的寿命。 2．独特的焊接结构疲劳算法 焊接连接是航空器上非常常见的结构连接方式，在航空结构设计中具有非常重要的地位，但焊接部位同时也是最容易产生疲劳裂纹问题的位置。现有疲劳分析软件几乎无一例外都是按照“焊接分类”（如英国BS7608标准）的方法来进行焊接结构疲劳分析的，该方法在大量工程实例的基础上根据预期的疲劳裂纹位置而将焊接结构分为数个类型（B、C、D、E、F、F2、G、W等），每个类型对应一条相互平行的S-N曲线用于疲劳评估。因此，在焊接结构疲劳分析中存在两个主要问题极大地影响了其工程应用：一是焊接分类的标准难以把握（事实上焊接类型是无穷多的）；二是由于焊接位置通常都是应力集中位置，难以精确计算应力分布。
焊接结构脆性断裂
第六章焊接结构脆性断裂 自从焊接应用于船舶、球罐、压力容器、桥梁、机械设备等工程结构以来，发生了一系列的脆性断裂事故。1943年1月16日在奥勒冈州波特兰码头某油船发生断裂，当时海面平静，其计算的甲板压力只有7.0Kg，见图6-1。二次世界大战期间美国建造的5000艘商船中约有1000艘船在1946年4月前经历了1300次左右的大小不同的结构破坏事故，其中250艘完全断裂，见图6-2。1974年12月日本某圆筒形石油槽发生开裂，该结构用12mm、60Kg 级钢材焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹源并扩展13m，大量石油外流。1962年7月，奥大利亚的“金斯桥”(跨度30.5m)在45.8t卡车通过时发生脆性断裂，原因是材料含碳量高，可焊性差，断面急剧变化处产生应力集中。 这些断裂事故都具有共同的性质： (1)没有明显的塑性变形，破坏具有突发性； (2)焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构； (3)发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏。 脆性断裂一般在以下条件下发生： (1)结构在低温下工作； (2)结构中存在焊接缺陷； 图6-1 船舶断裂实例1 图6-2 船舶断裂实例2
(3)焊接残余应力对脆断产生了严重影响； (4)材料性能劣质； (5)结构设计不合理。 § 6-1 材料断裂及影响因素 一、断裂分类及特征 按塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂(解理断裂、晶界断裂)。它们反映材料或结构断裂前的行为，即延性断裂表明在断裂之前金属或结构要发生显著的塑性变形；相反，脆性断裂表明金属材料或结构在断裂前发生很少的塑性变形。当然这只是定性概念，在定量上，发生多大程度的塑性变形属于延性断裂，小于何种程度的塑性变形量属于脆断，仍需具体情况而定。它往往与采用的评定标准有关，及测量变形的工具类型和精度有关，也和所评定的金属或结构的特性有关。如，铁轨用钢，当试样断裂时伴有百分之几的塑性变形时就属于延性断裂，但对于低碳钢来说，其无疑属于脆性断裂。 从“合于使用”原则出发，按图6-3对金属结构断裂性质进行分类。在拉伸中心开有缺口的试样时，试样上有三种应变。即无缺口部位的应变ε；缺口尖端处的应变ε′；缺口所在平面内边缘处的应变ε″，一般情况下它们之间具有下述关系： ε′>ε″>ε 构件断裂时，此三值与屈服点εs相比，有下述4种情况： εs>ε′>ε″>ε线弹性断裂情况 ε′>εs>ε″>ε弹塑性断裂情况 ε′>ε″>εs>ε韧带屈服断裂情况 ε′>ε″>ε>εs 全面屈服断裂情况 从断裂的机制来说，解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。解理是某些特定结晶学平面发生的断裂。剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚
铝及铝合金的焊接性
铝及铝合金的焊接性。 ⑴强的氧化能力铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄，厚度约0.1μm。Al2O3的熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点（约660℃），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并加强焊接区域的保护。 ⑵较大的热导率和比热容铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。因此，焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量，焊前常需采取预热等工艺措施。 ⑶热裂纹倾向大线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%左右，因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而产生热裂纹。生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹，如使用焊丝HS311。 ⑷容易形成气孔形成气孔的气体是氢。氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g，而在660℃凝固温度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g，使原来溶解于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝和铝合金的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及逸出，留在焊缝内成为气孔。弧柱气
氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是氢的主要来源，因此焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。 ⑸接头不等强度铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75%～100%；热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材的40%～505。 ⑹焊穿铝及铝合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材温度，施焊时常会因温度过高无法察觉而导至焊穿。
焊接缺陷对铝合金焊接接头疲劳性能的影响
焊接缺陷对铝合金焊接接头疲劳性能的影响 发表时间：2018-05-29T15:16:43.770Z 来源：《防护工程》2018年第2期作者：张碧博郭鹏张小平[导读] 要想保证焊接接头的疲劳寿命，就需要对其焊接过程中存在的缺陷进行全面分析，使其对疲劳寿命的影响降到最低。陕西德仕汽车部件（集团）有限责任公司陕西西安 710201 摘要：铝合金由于密度小、无磁性、热导率和强度高，以及良好的成型性、低温性能、耐腐蚀性能等被广泛应用于各种焊接结构中。铝合金焊接结构在重复外力作用下，往往发生疲劳断裂。疲劳破坏过程一般很难觉察到，因此疲劳断裂具有很大的危险性。 关键词：铝合金；焊接接头；疲劳性能； 1 概述 焊接接头中产生应力集中的原因一般有三个：(1)焊缝中的工艺缺陷，包括气孔、夹渣、裂纹、未焊透和咬边等，都会在其周围引起应力集中，其中裂纹和未焊透引起的应力集中最为严重。近表面处的气孔缺陷更会引起缺口效应加重应力集中问题。(2)焊缝外形不合理，比如对接焊缝余高过大，角焊缝表面为凸出形等在焊趾处都会形成较大的应力集中。(3)焊接接头设计不合理，比如接头截面的突变、加盖板的对接接头等均会造成严重的应力集中。焊缝分布不合理，例如只有单侧焊缝的T形接头，也会引起应力集中。不同的单双脉冲MIG焊接方法对铝合金焊接接头宏观成型有一定影响。并且MIG焊接时余高部位、焊根部位等往往是应力集中的区域，这些区域必然造成接头疲劳性能的大幅下降。因此有必要研究不同的单双脉冲MIG焊接方法获得的焊接接头的疲劳性能。 2 试验材料与方法 实验采用3mm 厚A5083 铝合金板材进行焊接，采用ER5356 铝镁合金焊丝，焊丝直径Φ1.2 mm；选用氩气保护，纯度99.99%。焊接后试件尺寸300 mm×300 mm×3 mm，焊缝宽度10 mm。焊接工艺参数为：材料厚度3 mm，道次1，焊接电流134～151 A，焊接电压20.2～21.9 V，焊接速度460～490 mm/min。打磨工艺参数如表1 所示。采用 WDW3100 微机控制电子万能试验拉伸机进行拉伸实验，拉伸速率为1mm/min，试验机自动记录载荷位移曲线，测量接头的屈服强度、抗拉强度和延伸率。疲劳试验在QBG-100疲劳试验机上进行。采用轴向力拉伸（正弦波）试验，循环应力最高加载次数为107 次。约定在107 次循环时仍未起裂的应力范围为条件疲劳极限。采用JSM-6490LV 扫描电镜（SEM）观察疲劳断口形貌。 表 1 打磨工艺参数 3 试验结果与讨论 3.1 打磨粒度对铝合金焊接接头拉伸性能的影响。从图 1 可看出，80 目打磨片条件下的焊接接头拥有最大的抗拉强度，为292 MPa，而40目打磨片与120 目打磨片条件下的焊接接头抗拉强度相差不大，分别为278 MPa 与275 MPa，三种粒度打磨片打磨后获得的接头其屈服强度相差不大，可忽略不计。80 目打磨片条件下的焊接接头有着最高的延伸率，为19.87%。
铝合金材料的疲劳研究进展
铝合金材料的疲劳研究进展 徐超，杨尚磊 （上海工程技术大学材料工程学院上海 201620） 摘要：综述了铝合金材料的疲劳研究进展，介绍了铝合金材料的疲劳裂纹萌生机制和特性、裂纹扩展规律及其扩展阶段的研究进展，同时概述了裂纹疲劳行为的影响因素和微观机理方面的最新研究进展，最后从裂纹萌生和扩展机制以及微观机理等方面概述了铝合金疲劳行为研究趋势。 关键词：铝合金疲劳裂纹萌生和扩展微观机理 0 前言 材料的疲劳性能指标是许多构件设计的重要依据之一，为此从微观上分析研究材料疲劳裂纹萌生和扩展特点以及他们与材料本证微观结构之间的关系具有重要指导意义[1]。由疲劳引起的焊接构件表面产生的裂纹萌生、扩展和断裂，都会导致一系列严重的影响，致使整个系统出现失效现象。疲劳行为的研究已经成为材料学中的一个重要分支，由于其存在的广泛性，越来越受到国内外众多学者的关注。 铝合金由于密度小、比强度高，耐蚀性好，在汽车、列车、船舶、航空、航天等领域得到了广泛的应用，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，因此铝合金成为在工业中应用最广泛的一类有色金属材料[2]。铝合金材料的疲劳破坏是汽车、列车、船舶、航空、航天领域中经常遇到的现象，所以对铝合金的疲劳行为的研究更具有重要意义。目前对铝合金疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的微观特征以及疲劳寿命的预测研究也相当广泛，因此，本文对铝合金材料的疲劳研究进行了综述。 2 铝合金材料的疲劳研究现状 2.1 疲劳裂纹的萌生 由于交变载荷的循环作用，疲劳裂纹的萌生过程往往发生在材料存在缺陷或薄弱区域以及高应力区，其通过不均匀的滑移或位移，从微细小裂纹形成而逐渐长大扩展至断裂。主要可能存在以下形式:对一般的工业合金，在交变应力作用下第二相、夹杂物与基体界面开裂；对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，材料表面的滑移带集中形成驻留滑移带就会形成开裂；当经受较高的应力或应变幅时，晶界结合力在低于晶内滑移应力下，晶界或亚晶界处易发生开裂；另外，对高强度合金，也会由于夹杂物、第二相本身属于脆性相从而发生开裂。 由于疲劳裂纹的萌生在整个疲劳裂纹形成过程中占有相当重要的地位，因此，很多学者对疲劳裂纹的萌生进行了研究。 Chen和Tokaji[3]研究了2024铝基SiC粒子增强相复合材料的疲劳裂纹萌生行为，发现了疲劳裂纹萌生的阻力随着SiC粒子数和尺寸的增加而减小，裂纹的萌生大多数与粗大粒子有关，并且粒子和基体间的界面存在剥离现象，使得裂纹萌生于粒子尖端处，这可能与粒子的尺寸和形状相关。Campbell[4]等人研究了319-T7铸造铝合金的的疲劳裂纹萌生行为，发现疲劳萌生起源于铸造中产生的气孔等孔洞，并且裂纹源区与氧化膜的形成也有关。 Shaniavskiy[5]等人研究了飞机Tu-154M上液压泵的AL5铝合金的疲劳裂纹萌生机制，发现AL5铝合金的铸造缺陷对疲劳裂纹的萌生有很大的影响，其影响了材料疲劳裂纹萌生区的应力状态。ZHAI[6]研究了铝锂合金疲劳裂纹萌生处的强度分布情况，发现在L方向疲劳性能最差、S方向最佳，并且表面裂纹的形成随着应力水平的提高而增加，同时其表面裂纹通过韦伯公式来分析了疲劳裂纹薄弱区的密度和强度分布状况。Merati[7]观察了2024-T4合金中萌生裂纹与未萌生裂纹的粒子尺寸,发现萌生了裂纹的粒子是观察到的粒子中尺寸最大的。Payne J[8]等人采用扫描电镜（SEM）观察了7075-T651铝合金疲劳裂纹的萌生演化过程，发现粗大的第二相粒子对疲劳裂纹的萌生行为有显著的影响。Mirzajanzadeh[9]等人研究了7075铝合金试样过盈装配对疲劳裂纹萌生行为的影响，发现过盈装配的断裂试样，其疲劳裂纹萌生于开孔试样的最小横截面中间，与孔洞边缘的微动磨损有很大的关系。 显然，缺陷薄弱区、第二相粒子的粗大、气孔和孔洞集中区域、界面交界处对疲劳裂纹的萌生行为有显著的影响，是铝合金材料中主要裂纹生源。但是这些因素的对疲劳裂纹萌生的影响很复杂，需要进一步通过SEM原位观察等手段来分析其裂纹萌生的演变过程，确定其各个因素与裂纹萌生行为的关系，同时也可以改进制备工艺等手段来减少裂纹萌生。 2.2疲劳裂纹的扩展 研究疲劳裂纹的扩展规律是疲劳裂纹试验过程中的基础环节，疲劳裂纹的扩展微观模式受材料的滑移特性、晶界和晶粒取向、析出相、显微组织特征尺寸、应力水平及裂纹尖端塑性区尺寸等的影响。一般可以将疲劳裂纹的扩展分为三个阶段：近门槛扩展阶段、高速扩展阶段(Paris区)和最终断裂阶段。 Forsyth[10]把导致z字型裂纹扩展路径的纯滑移机制定义为第Ⅰ阶段裂纹扩展，并且在许多铁合金、铝合金和钦合金中都己经观察到裂纹的第Ⅰ阶段扩展。Forsyth[10]还指出对于大多数合金来说，第I阶段扩展通常很短，但是当应力强度因子范围较高时，裂纹尖端塑性区跨越多个晶粒，这时裂纹扩展开始沿两个滑移系统同时或交替进