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高速列车铝合金熔焊接头疲劳开裂同步辐射成像及表征

喻程  
【摘要】:针对高速列车用激光复合焊7020-T651铝合金接头的疲劳开裂机制问题,本文利用同步辐射X射线三维成像技术对熔焊气孔及其引起的疲劳裂纹萌生和扩展特性进行了原位成像及表征研究,并采用有限元方法对熔焊接头的裂纹扩展材料常数(等效C和n)和三维断裂韧度进行了估算及讨论。通过对气孔的等效直径、圆整度及气孔重心至自由表面的距离等三维特征参数进行统计分析与拟合,结果显示:(1)铝合金熔焊微气孔主要是圆整度在0.65以上的近球形冶金型氢气孔,于焊缝中心两侧呈近似对称分布;(2)焊缝上部气孔数量较少但尺寸较大,下部及熔合线附近气孔数量较多但尺寸较小;(3)等效直径小于20μm的气孔,在接头上部和下部气孔中占比分别高达65%和85%,少见100μm以上的大尺寸气孔;(4)由于铝合金熔池的下塌和快速冷却,残留于枝晶网络间液相导致焊缝下部形成垂直于焊缝且层叠分布的形状复杂的热裂纹,气孔之间以及气孔和热裂纹之间存在着连通现象,使得下部微气孔的圆整度平均值较小。多个裂纹萌生于铝合金熔焊接头表面或近表面的气孔,但只有一条或少数几条裂纹继续扩展成规则的形貌,呈现典型的低周疲劳特性;稳定扩展阶段裂纹前缘受晶界和气孔等微观组织影响呈现局部的不规则现象,但总体上仍保持相对规则的形貌;疲劳裂纹稳定扩展阶段寿命仅占到疲劳总寿命的比例不小于30%,某些试样甚至高达50%;采用基于等效厚度概念建立起来的裂纹扩展速率模型和三维有限元法(奇异单元)对疲劳裂纹形貌的预测与实验结果吻合较好,估算得到的裂纹扩展材料常数分别为Ceff=4.5×10-7和neff=5.4;利用试样发生破坏前的最后一次观测获得的裂纹和真实断裂载荷,估计得到三维断裂韧度约为12.5MPa·m1/2。熔焊气孔的三维特征及其分布规律可以为有针对性的改进焊接工艺和提升其服役性能提供重要参考,疲劳裂纹萌生和扩展的三维形貌及其演化规律为更加精确地进行铝合金焊接接头疲劳断裂评估提供了重要数据支撑。


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