两种频率对A7N01焊接接头疲劳性能影响及寿命预测模型

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A7N01铝合金是高速列车车体结构广泛使用的一种新型材料,属Al-Zn-Mg系时效强化铝合金。疲劳失效为该合金最主要的失效形式之一,为了缩短疲劳试验的时间,最直接的方法就是提高载荷频率。基于这一目的,本课题研究了载荷频率对A7N01铝合金母材及焊接接头疲劳寿命的影响。通过成组法疲劳试验得到了A7N01铝合金焊接接头及母材S-N曲线,并在适用于高周疲劳的Basquin公式的基础上建立了不同加载频率下应力幅值与疲劳寿命关系的疲劳寿命预测模型,结果表明:加载频率由10Hz变化到130Hz对A7N01铝合金焊接接头及母材的疲劳寿命和条件疲劳极限几乎不产生影响。通过对不同加载频率和应力幅值下A7N01铝合金焊接接头及母材疲劳断口分析解释了加载频率对其疲劳寿命不产生影响的内在本质,断口分析表明:在不同加载频率下,A7N01铝合金焊接接头及母材疲劳裂纹萌生机理大致相同,裂纹稳定扩展速率基本一致,焊接接头疲劳裂纹易萌生于试样表面焊趾处的气孔、缩孔及夹杂物(FeAl3)边缘,母材疲劳裂纹常萌生于试样端部圆滑过渡的次表面未回熔第二相与母材基体相的相界面处;当应力幅值一定,不同加载频率下疲劳辉纹的宽度大致相同,当加载频率一定,疲劳辉纹宽度随应力幅值增大而增大,且应力幅值越大,越容易产生二次裂纹。在以上结果的基础上,本文又采用一种研究材料疲劳性能的新方法——能量耗散方法对高加载频率下A7N01铝合金焊接接头及母材疲劳性能进行了机理研究,通过自行研制的高精密测温系统获得了疲劳过程中试样表面温度变化曲线,温升曲线可分为初始温升、温度稳定上升和断裂前的瞬间温升三个阶段,从此曲线看出,温升第一和第三阶段的循环次数占疲劳寿命的比重很小,第二阶段循环次数占疲劳寿命的比重在90%以上,第二阶段温升斜率随着应力幅值的增加而增大。基于能量守恒方法,通过提出一系列假设和作相应的近似处理,建立了疲劳寿命与第二阶段温升斜率关系的寿命预测模型,并结合实验和origin软件对模型参数的最优解进行了拟合,通过该模型,只需将疲劳试验进行到稳定温升阶段,就可快速预测出材料的疲劳寿命,该模型表达式适用于理想绝热环境条件下疲劳寿命的预测。
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