超声冲击对MB8镁合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能影响研究

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镁合金因其独特的优势受到了世界各国研究者的重视,镁合金结构件的疲劳性能因其与实际生产联系密切更是得到青睐。相关资料已表明,疲劳断裂是金属结构件最主要的失效形式,因此通过相关方法提升镁合金焊接接头的疲劳寿命就显得尤为重要。目前,超声冲击技术已经被广泛应用于改善提升焊接构件的疲劳性能。本文研究对象为MB8镁合金,采用搅拌摩擦焊方法对MB8镁合金母材金属进行对接,研究了超声冲击对MB8镁合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响,探讨了超声冲击对MB8镁合金焊接接头疲劳性能的改善,并分析超声冲击表面晶粒细化机理。相关实验结果如下:  (1)在加载频率为10Hz,应力比R为0.1,试样承受了拉拉载荷的情况下,MB8镁合金母材 S-N曲线方程为:lgN=51.88-24.23lgΔσ;焊接接头 S-N曲线方程为:lgN=22.96-9.9lgΔσ;超声冲击态接头的S-N曲线方程为:lgN=46.19-22.48lgΔσ。  (2)母材试样在2×106循环周次下的疲劳强度为75.86MPa,焊态接头及超声冲击态接头在2×106周次下的疲劳强度分别为47.86MPa和59.57MPa。母材的疲劳强度远高于焊态试样和超声冲击态试样,其中焊态试样的疲劳强度为母材试样的63.09%,经超声冲击后焊接接头的疲劳强度相当于母材的78.52%。超声冲击后焊接接头的疲劳强度提高了近24.47%。  (3)在应力水平相同的条件下,经过超声冲击处理的焊接接头疲劳寿命要明显长于未冲击的接头。应力为62.5MPa时疲劳寿命提高了4倍左右;当应力大小为50MPa时焊接接头的疲劳寿命整体提高了72倍。  (4)母材试样在实验完成后均断裂于圆弧过渡的区域,焊态及超声冲击态试样均断裂于焊缝靠近轴肩边缘处即热影响附近。说明该区域是焊接接头最薄弱的区域,超声冲击并不能改变接头的断裂位置。  (5)焊缝接头的硬度分布呈现出中间高两边低的趋势,焊核区域的硬度值最高,热影响区的硬度值最低。呈现出这种分布趋势,与焊接接头不同区域的晶粒形貌有关。  (6)MB8镁合金母材疲劳断口裂纹源大多在试样表面的机械加工微痕处,个别试样可以在次表面发现裂纹源;裂纹扩展区较为平坦光滑,可以观察到细腻的放射花样,以裂纹源为中心向周围发散并向前延伸,同时伴有疲劳台阶和二次裂纹出现;瞬断区以撕裂棱形貌为主,同时伴有少量韧窝出现,MB8镁合金母材试样呈现出解理断裂机制。  (7)比较焊态和超声冲击态接头试样,裂纹多起源于焊缝热影响区附近的表面缺陷处,少数焊态试样的裂纹起源于内部焊接缺陷,个别超声冲击试样也在内部夹杂物处发现裂纹源;焊态和超声冲击态接头的扩展区均呈现出清晰的解理河流花样和大量明亮的撕裂棱条线,同时伴有二次裂纹和解理台阶出现;瞬断区依旧能发现大量的撕裂棱,且韧窝数量要多于母材断口,经过超声冲击处理的MB8镁合金焊接接头的疲劳断裂机制不会改变,依旧为解理断裂。  (8)超声冲击MB8镁合金晶粒细化机制简述如下:超声冲击初期,晶粒发生了剧烈的塑性变形,位错的密度开始增加,少量的位错开始交互缠结,随着冲击时间不断增加,位错的运动速率也逐渐加快,大量的位错开始产生交错缠结在一起,形成了高密度的位错缠结和位错墙。位错缠结和位错墙逐渐转变成位错胞,而位错胞内位错还会持续增加,位错间的距离逐渐缩小形成小角度晶界,并形成亚晶。亚晶在晶界处发生动态再结晶,最终转变为纳米晶组织。
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