基于紅外熱像法的AZ31B鎂合金及其焊接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度研究.pdf

1、鎂合金輕質(zhì)高強(qiáng)、性能優(yōu)異，作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用前景。鎂合金為密排六方晶格結(jié)構(gòu)，僅有三個(gè)滑移系，韌性較低，應(yīng)力集中較高的情況下易發(fā)生脆性斷裂，容易導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中災(zāi)難性事故發(fā)生。斷裂韌度是評(píng)價(jià)材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的一個(gè)基本指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、可靠性和安全性評(píng)價(jià)中具有重要參考價(jià)值。同時(shí)，焊接技術(shù)的快速發(fā)展拓寬了金屬材料的應(yīng)用范圍。因此，進(jìn)行鎂合金及其焊接接頭斷裂失效方面的相關(guān)研究可以為擴(kuò)展其應(yīng)用提供必要的

2、理論基礎(chǔ)。
　　本文利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)AZ31B鎂合金及其電子束焊接接頭開(kāi)展了三點(diǎn)彎曲平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)，比較了母材和接頭的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力;試驗(yàn)過(guò)程中，采用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)記錄了試樣表面的溫度演化，研究了AZ31B鎂合金在準(zhǔn)靜態(tài)斷裂過(guò)程中裂紋尖端的能量耗散。同時(shí)研究了材料擠壓方向、試祥尺寸、加載速率以及裂紋預(yù)制方式等因素對(duì)AZ31B鎂合金斷裂韌度的影響，并對(duì)斷口形貌及斷裂機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，缺口方向垂直于和平行于擠壓方

3、向的20 mm厚AZ31B鎂合金板材的斷裂韌度分別為15.33～16.07 MPa·m1/2和14.52～16.80MPa·m1/2，20 mm厚AZ31B鎂合金電子束焊焊接接頭的斷裂韌度為11.04～12.29 MPa·m1/2。可以發(fā)現(xiàn)，擠壓方向?qū)?0 mm厚AZ31B鎂合金母材斷裂韌度的影響并不明顯，接頭的斷裂韌度明顯低于母材，在相同條件下，AZ31B母材對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力更大。紅外熱像儀監(jiān)測(cè)記錄的結(jié)果表明，AZ31B鎂合金斷裂過(guò)程

4、中裂紋尖端附近區(qū)域的溫度演化分為三個(gè)階段:初始穩(wěn)定階段、溫度升高階段和最終穩(wěn)定階段。溫度演化是熱彈性效應(yīng)、裂紋尖端塑性耗散和熱傳遞的綜合作用，溫度升高的熱量來(lái)自于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中尖端塑性區(qū)的能量耗散。溫度演化第二階段的起始點(diǎn)接近于裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)提出了估算AZ31B鎂合金斷裂韌度的紅外熱像法。由紅外熱像法估算的缺口方向垂直于擠壓方向AZ31B鎂合金的斷裂韌度為16.37～17.11 MPa·m1/2，與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的相對(duì)誤差

5、小于8.50％。材料的斷裂韌度和溫度變化大小有很大關(guān)系，斷裂韌度越大，最終溫度越高。10mm厚疲勞預(yù)裂紋AZ31B鎂合金板材非標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣在5mm/min的加載速率條件下的斷裂韌度KC在12.35～13.06 MPa·m1/2之間，平均值為12.71 MPa·m1/2，低于20 mm厚AZ31B鎂合金板材的斷裂韌度。10mm厚疲勞預(yù)裂紋AZ31B鎂合金板材非標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣在1mm/min的加載速率條件下的斷裂韌度KC為10.86

6、MPa·m1/2，低于同樣條件下加載速率5 mm/min試樣的斷裂韌度。10mm厚線切割加工預(yù)裂紋AZ31B鎂合金板材非標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣在1 mm/min的加載速率條件下的斷裂韌度KC在11.49～13.62 MPa·m1/2之間，平均值為12.56 MPa·m1/2，達(dá)到同等條件下疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制裂紋試樣斷裂韌度的116％。斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)束后，試樣表面裂紋附近會(huì)產(chǎn)生一定程度的塑性變形。 AZ31B鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)中斷裂方式為韌脆