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

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

2、理論基礎。
　　本文利用電子萬能試驗機對AZ31B鎂合金及其電子束焊接接頭開展了三點彎曲平面應變斷裂韌度試驗，比較了母材和接頭的抵抗裂紋擴展的能力;試驗過程中，采用紅外熱像儀監(jiān)測記錄了試樣表面的溫度演化，研究了AZ31B鎂合金在準靜態(tài)斷裂過程中裂紋尖端的能量耗散。同時研究了材料擠壓方向、試祥尺寸、加載速率以及裂紋預制方式等因素對AZ31B鎂合金斷裂韌度的影響，并對斷口形貌及斷裂機理進行了分析。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母材對裂紋擴展的阻力更大。紅外熱像儀監(jiān)測記錄的結(jié)果表明，AZ31B鎂合金斷裂過程

4、中裂紋尖端附近區(qū)域的溫度演化分為三個階段: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、裂紋尖端塑性耗散和熱傳遞的綜合作用，溫度升高的熱量來自于裂紋擴展過程中尖端塑性區(qū)的能量耗散。溫度演化第二階段的起始點接近于裂紋的失穩(wěn)擴展點，并以此為基礎提出了估算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，與標準試驗方法的相對誤差

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厚疲勞預裂紋AZ31B鎂合金板材非標準三點彎曲試樣在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厚疲勞預裂紋AZ31B鎂合金板材非標準三點彎曲試樣在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厚線切割加工預裂紋AZ31B鎂合金板材非標準三點彎曲試樣在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，達到同等條件下疲勞試驗機預制裂紋試樣斷裂韌度的116％。斷裂韌度試驗結(jié)束后，試樣表面裂紋附近會產(chǎn)生一定程度的塑性變形。 AZ31B鎂合金準靜態(tài)斷裂韌度試驗中斷裂方式為韌脆