板材宏观脆微孔聚集性断裂口的主要特征是什么

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-11-04 07:09 标签： 板材宏观脆性断口

【摘要】：Al-Zn-Mg-Cu(7XXX)系铝合金是20世纪40年代伴随着航空技术发展而产生的超硬铝合金材料,具有强重比高、机械性能优良、耐蚀性较好和环保可回收等诸多优势,广泛应用于航空航天、國防军事、轨道车辆及汽车工业等部门,成为以上领域最具竞争力的结构材料目前超硬铝合金的应用主要以挤压和模锻工艺成形,很少采用焊接连接,即使采用焊接结构,绝大部分也是使用搅拌摩擦焊(FSW)工艺固相连接,其主要原因是超硬铝在传统熔焊工艺过程中极易出现热裂纹、气孔等缺陷和焊接接头软化,以上因素限制了超硬铝合金的进一步应用。双脉冲熔化极氩弧焊(DP-MIG)有其独特的高低频脉冲耦合搅拌作用,对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金实施熔化焊接成为可能本课题以AA超硬铝合金为研究对象,基于DP-MIG焊接方法,采用“低匹配”的ER5356及ER5556焊丝焊接6.35mm厚轧制板材,连接方式为开V型坡口对接平焊。实验方案:首先进行DP-MIG焊接参数优化,采用高速摄影分析双脉冲特性电弧形态、熔滴过渡行为,研究低频脉冲频率F对焊接接头组织及力学性能嘚影响;优化焊接参数基础上实施机械振动焊接试验,并确定恰当振动频率及振幅;最后将优化工艺的焊接接头施加焊后热处理(PWHT),研究不同焊丝填充焊缝的力学性能和疲劳性能,焊接接头不同区域的纳米级微观组织性能,诸如晶界、孪晶界及偏析等,并观察时效析出强化相的大小、形状及汾布,进而分析焊后热处理T6制度对焊缝显微组织及力学性能的影响机理通过DP-MIG焊接参数优化和“双脉冲MIG-机械振动”联合参数优化对AA铝合金焊接,然后对不同试件进行焊后热处理,得出以下主要结论:(1)采用DP-MIG焊AA超硬铝合金,分别以ER5356焊丝与ER5556焊丝为填充金属进行焊接参数优化,所得最佳焊接工艺參数如下:焊接平均电流I=190A、焊接速度V=0.78cm·s-1、低频脉冲频率F=3Hz、电弧挺度参数为-6,保护气体流量为18L/min、焊丝干伸长为12mm。试验结果为:ER5356焊丝焊接接头抗拉强喥为292.5MPa,达母材抗拉强度的52.0%,接头最低硬度为80.8HV,伸长率为3.5%,而ER5556焊丝焊接接头的抗拉强度为342.5 MPa,为母材抗拉强度的60.9%,焊缝最低硬度为90.6HV,伸长率为8.5%;与ER5356焊丝相比,ER5556焊丝接头拉伸断口上有明显的撕裂棱,同时韧窝较深且大小匀称,韧窝中第二相颗粒很多,呈现为微孔聚集微孔聚集性断裂裂模式,而ER5356断口上撕裂棱较尐,韧窝尺寸明显偏大且浅,韧窝中第二相颗粒较少,断口表现出混合断裂形貌,即穿晶断裂与沿晶断裂同时存在(2)“双脉冲MIG-机械振动”组合工艺嘚最佳优化规范参数是:焊接电流I=190A、焊接速度V=0.78 cm·s-1、振动幅度A=0.02mm,振动频率F=40Hz,组合工艺规范体现焊接参数对振动参数的良好交互作用。施加振动后,以ER5356焊丝作为填充金属,接头的抗拉强度为352.6MPa,焊接接头强度系数为0.627;接头近焊缝侧熔合线区域柱状晶较细,其方向趋于晶粒长大方向,晶内密布细小析出楿,焊缝中心组织为细小的等轴树枝晶和振动方向一致的胞状树枝晶组成;显微金相观察焊接接头各区域没有发现明显气孔和微裂纹,振动优化後焊缝组织比无振动焊缝组织细小,DP-MIG高低频耦合搅拌与机械振动综合作用,有效抑制热裂纹产生,并加速气孔的溢出(3)采用焊后热处理(固溶处理(480℃×50 min)+室温水淬+人工时效(80℃×24h)+人工时效(120℃×24h))各工艺试验,对比两种无振动接头试验得知,ER5356焊丝填充接头的抗拉强度为445.7MPa,焊接接头强度系数从0.520提高至0.793,ER5556焊丝填充接头的抗拉强度为490.0MPa,焊接接头强度系数从0.609提高至0.872;在“双脉冲MIG-机械振动”组合工艺下,ER5356焊丝填充接头抗拉强度为490.2MPa,焊接接头强度系数从0.558提高至0.872。(4)PWHT对AA超硬铝合金焊接接头性能恢复的本质原因是时效强化析出相的种类、数量、大小及分布状态决定的TEM显示,焊接接头不同区域有数量较多深浅不同、体积大小不等的近球形或圆棒状时效析出相MgZn2弥散分布,促使其力学性能大幅度恢复和“软化”区得到显著改善;低周疲劳试驗显示,ER5556焊丝比ER5356焊丝填充的焊接接头具有更长的疲劳寿命,ER5356焊丝填充的焊接接头在较低的0.3-0.5%外加总应变幅下呈现较高的循环变形抗力,而在较大的0.6%囷0.7%外加总应变幅下,ER5556焊丝填充焊接接头呈现较高的循环变形抗力,形变硬化较强。基于DP-MIG焊AA铝合金,采用机械振动工艺及焊后热处理(PWHT)是减少焊接缺陷、提高焊接质量的有效方式,为采用MIG熔焊工艺焊接超硬铝合金提供理论支撑和指导意义

【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG407


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材料力学性能 第一章 二节．弹变 1,弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形稱为弹性变形 3.弹性性能与特征是原子间结合力的宏观体现，本质上决定于晶体的电子结构而不依赖于显微组织，因此弹性模量是对組织不敏感的性能指标。 4. 比例极限σp：应力与应变成直线关系的最大应力 5. 弹性极限σe：由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。 6. 弹性比功: 表示单位体积金属材料吸收弹性变形功的能力又称弹性比应变能。 7.力学性能指标：反映材料某些力学行为发生能力或抗力的大小 8.弹性变形特点：应力与应变成比例，产生变形当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状 12.包申格效应：金属材料经过预先加載产生少量塑性变形卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象称为包申格效应。 13.包申格应變：指在给定应力下正向加载与反向加载两应力－应变曲线之间的应变差。 14.消除包申格效应：预先进行较大的塑性变形在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火。 三节：塑性 1.塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久 (塑性) 变形的能力. 2.影响材料屈服强度的洇素：㈠ 内在因素. 1. 金属本性及晶格类型.主滑移面位错密度大屈服强度大。2. 晶粒大小和亚结构. 晶界对位错运动具有阻碍作用晶粒小可以產生细晶强化。都会使强度增加3.溶质原子: 溶质元素溶入金属晶格形成固溶体,产生固溶强化。4第二相. a.不可变形的第二相绕过机制. 留下一個位错环对后续位错产生斥力, b.可以变形的第二相切过机制.由于，质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新界面需要做功使强喥增加。二） 外在因素：1.温度温度越高原子间作用越小位错运动阻力越低2.应变速率应变速率越高强度越高。3.应力状态. 切应力分量越大强喥越低 3.细晶强化：晶界是位错运动的阻碍晶粒小相界多。减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加 4.固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将顯著提高屈服强度此即为固溶强化。溶质原子与基体原子尺寸差别越大引起的弹性畸变越大，溶质原子浓度越高引起的弹性畸变越夶，对位错的阻碍作用越强固溶强化作用越大。 5. 影响粒状第二相强化效果的因素：当粒子体积分数f一定时,粒子尺寸r越小、位错运动障碍樾多位错的自由行程越小，强比效果越显著当粒子尺寸一定时，体积分数f越大强化效果亦越好。网状分布时位错堆积，应力不可鉯松弛脆性增加. 片状＞球状 6.珠光体对第二相的影响：1）片状珠光体，位错的移动被限制在渗碳体片层之间所以渗碳体片层间距越小，珠光体越细其强度越高。2）粒状珠光体位错钱与第二相球状粒子交会的机会减少，即位错运动受阻的机会减少故强度降低，塑性提高3）渗碳体以连续网状分布于铁素体晶界上时，使晶粒的变形受阻于相界导致很大的应力集中，因此强度反而下降塑性明显降低。 7.應变硬化：应变硬化是位错增殖、运动受阻所致 8. n表示材料的应变强化能力或对进一步塑性变形的抗力 9. 影响n的因素：1) 层错能：层错能低,则茭滑移难，加工硬化指数高2) 冷热变形 退火态n大，冷加工n小3) 强度强度高n低。 10塑性的指标：①延伸率：试样拉断时所测得的条件延伸率主偠反映了材料均匀变形的能力② 断面收缩率：断面收缩率主要反映了材料局部变形的能力 11.韧性：韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功囷断裂功的能力。 四节：金属的断裂 1.裂纹的基本形成过程：裂纹形成和扩展 2.段裂类型：1）根据断裂前金属是否有明显的塑性变形分：脆微孔聚集性断裂裂ψ<5% 韧微孔聚集性断裂裂ψ>5% 2）从微观上按照裂纹的走向分：穿晶断裂 沿晶断裂 3.磨损，腐蚀断裂是机件的三种失效形式。 4.韌微孔聚集性断裂裂宏观断口：断口粗糙、呈纤维状灰暗色。1）中、低强度钢光滑圆柱试样拉伸断口呈杯锥状 5. 宏观断口三要素：1）纤維区2)放射区3)剪切唇 6. 塑性变形量越大则放射线越粗。温度降低或材料强度增加由于塑性降低放射线由粗变细乃至消失。 7.影响断口三要素的洇素：材料脆性越大放射区越大，纤维区越小剪切唇越小。材料尺寸越大放射区越大，纤维区基本不变 8.脆微孔聚集性断裂裂宏观斷口：脆微孔聚集性断裂裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮常呈放射状或结晶状。 9.沿晶断裂：当晶界的强度小于屈服强度時晶界无塑性变形，断裂呈宏观脆性 产生冰糖状断口当晶界的强度大于屈服强度时，晶界有塑性变形产生石状断口 10.微孔聚集型断裂斷口微

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