焊接接头材料低周疲劳断口的分形分析
铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂行为分析_曹丽杰
fatigue crack growth
1991 年 TWI 发明的搅拌摩擦焊接 （ friction stir welding，简称 FSW） 技术主要用于高强铝合金的焊
FSW 为固相连接，焊缝中沉淀相大小和聚集程 度影响 FCGRS 和 ΔKth。沉淀相的聚集、滑移逆转和 裂纹偏向提高 ΔKth。对于未时效状态，沉淀相为聚 集态，内部含有微小的 GP 区，裂纹扩展阻力大，ΔKth 也高。疲劳循 环 时 由 于 位 错 对 聚 集 相 的 剪 切，导 致 反向滑移程度增高，循环塑性好。过时效状态下，反 向滑移程度低，大块的非聚集的沉淀相钉扎住位错， 阻止位错反转，循环塑 性 低。因 此，在 过 时 效 状 态 下，或者存在粗大沉淀相时，FCGRS 会增大。此外， 未时效状态下疲劳裂纹的闭合程度大于过时效状态 的 ，其 FCGRS 低于后者的。
低，虽然可以得到良好的焊接接头，但是焊缝底部金
属塑化程度不够，容易出现“吻接”缺陷。
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2010，Vol． 38，№11
3 铝合金 FSW 接头的疲劳裂纹扩展 速 率 FCGRS （ Fatigue crack growth rates） 和门槛值 ΔKth
为获得缺陷状态下接头的疲劳行为，应用断裂 力学把疲劳 设 计 建 立 在 本 身 存 在 缺 陷 的 基 础 上，按 照裂纹在循环载荷下的扩展规律，估算结构寿命，是 保证结构安全工作的重要途径，同时，也是对传统疲 劳试验分析方法的一个重要补充和发展［9］。FCGRS 是决 定 构 件 疲 劳 行 为 的 一 个 重 要 特 征 参 量，影 响 FSW 接头 FCGRS 的因素有微结构和残余应力、表面 处理方法等。 3． 1 微结构和残余应力对 FCGRS 和 ΔKth的影响
TC4钛合金电子束焊接接头低周疲劳性能研究
TC4钛合金电子束焊接接头低周疲劳性能研究刘晓华;马英杰;李晋炜;张韧;雷家峰;刘羽寅【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)003【摘要】采用应变控制方法,测试了TC4钛合金电子束焊接接头及母材低周疲劳性能,记录并比较了不同位置处的载荷-应变曲线,利用扫描电镜观察分析了低周疲劳断裂方式及断口形貌.研究结果表明:在高应变条件下,由于焊接接头区塑性变形能力较差,其低周疲劳寿命低于母材,低应变条件下,母材与焊接接头低周疲劳寿命相当；低周疲劳试样最终失效断裂均发生在母材区,但焊接接头区也存在明显表面裂纹,这与焊接接头区具有较高的强度、抗塑性变形能力及抗疲劳裂纹扩展能力有关.【总页数】5页(P53-57)【作者】刘晓华;马英杰;李晋炜;张韧;雷家峰;刘羽寅【作者单位】中国商用飞机有限责任公司设计研发中心,上海200232;中国科学院金属研究所沈阳110016;中航工业北京航空制造工程研究所,北京100024;中国商用飞机有限责任公司设计研发中心,上海200232;中国科学院金属研究所沈阳110016;中国科学院金属研究所沈阳110016【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+3【相关文献】1.30CrMnSiA钢电子束焊接接头低周疲劳性能研究 [J], 虞文军;李飞;邵绪分2.TC4-DT合金电子束焊接接头低周疲劳性能研究 [J], 唐振云;毛智勇;李晋炜;马英杰3.25 Cr2 Ni2 MoV 钢焊接接头低周疲劳性能研究 [J], 丁杰;郭素娟;刘霞;轩福贞4.WFG36Z钢焊接接头低周疲劳性能与寿命的试验研究 [J], 张罡;龙占云;赵凯;郝蕴英5.工程机械用800MPa低合金高强度钢焊接接头低周疲劳性能研究 [J], 史耀武;史轩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
AZ31B镁合金及其TIG焊焊接接头疲劳断裂行为及评定研究
AZ31B镁合金及其TIG焊焊接接头疲劳断裂行为及评定研究镁合金具有轻质高强,易于回收等一系列优点,被誉为“21世纪绿色金属结构材料”,其最具发展前途的应用领域是“陆、海、空、天”等交通运载装备,这些结构离开焊接技术的支持是无法完成的。
资料表明,70%～90%的焊接结构失效是焊接接头在动载负荷作用下造成的,镁合金及其焊接接头中裂纹的启裂和扩展对焊接结构的疲劳性能及疲劳寿命产生较大的影响,而其失稳断裂临界裂纹尺寸又决定了材料或结构的疲劳寿命。
因此,研究镁合金及其焊接接头的疲劳性能、裂纹扩展速率,对疲劳性能进行评定,具有重要的理论意义和应用价值。
本研究针对AZ31B镁合金及其焊接接头疲劳性能、裂纹扩展速率及断裂韧度进行研究,利用OM和SEM等手段对材料的组织、裂纹扩展行为及断口进行分析；采用疲劳裂纹扩展理论(Parise公式)对疲劳寿命进行预测；利用临界距离法和热点应力法对不同形式的焊接接头进行疲劳评定；分析了织构对疲劳性能和裂纹扩展速率的影响。
研究认为,在2×106循环次数下,AZ31B镁合金母材的疲劳强度为66.72 MPa,对接、横向十字、纵向非承载十字和侧面连接接头的疲劳强度分别为39.00 MPa,24.38 MPa,32.18MPa和24.40 MPa；焊接接头裂纹均起裂于焊趾部位,裂纹以穿晶方式扩展,塑性变形方式为滑移和孪生。
镁合金及其焊接接头的疲劳断裂均为河流花样组成的脆性断口。
采用TIG熔修和超声冲击(UIT)改善对接和横向十字接头疲劳性能,经TIG熔修处理后,AZ31B镁合金对接和横向十字接头的疲劳强度分别为41.68 MPa和34.13 MPa,与处理前相比较,分别提高了6.9%和39.9%。
经过UIT后,十字接头的疲劳强度为24.7 MPa,比焊态试样提高了43.6%。
疲劳裂纹扩展试验结果表明,T-L、L-T(第一、二个字母分别表示裂纹面的法线方向和表示预期的裂纹扩展方向；L表示长度或主变形方向,T表示宽度方向)方向试件裂纹扩展方向与切口方向平行,疲劳裂纹在AK达到5.5 MPa·m1/2、5.7 MPa·m1/2左右时,开始进入快速扩展阶段。
低周疲劳断裂的断口特征
低周疲劳断裂的断口特征低周疲劳断裂是一种材料在受到循环加载时发生的断裂现象。
这种断裂是由于材料在受到循环加载过程中，经历了一系列的应力循环，导致材料内部微观缺陷的逐渐扩展和聚集，最终导致断裂的发生。
低周疲劳断裂的断口特征是研究这种断裂现象的重要手段之一。
低周疲劳断裂的断口特征可以通过断口形貌、断口表面的微观特征和断口区域的化学成分等来进行分析。
首先，断口形貌是低周疲劳断裂的一个重要特征。
在裂纹扩展的过程中，断口表面通常呈现出一定的形状，例如河谷状、韧突状、疲劳带状等。
河谷状断口是指断裂面上呈现出一系列河流状的凹槽，这是由于疲劳断裂过程中断裂面上的裂纹逐渐扩展形成的。
韧突状断口是指断裂面上呈现出一系列韧突状的突起，这是由于材料在受到疲劳加载时发生局部塑性变形形成的。
疲劳带状断口是指断裂面上呈现出一系列平行的疲劳带，这是由于疲劳裂纹在扩展过程中产生的。
其次，断口表面的微观特征也是低周疲劳断裂的一个重要特征。
断口表面通常呈现出一定的粗糙度，这是由于断裂过程中断裂面上的微观缺陷的逐渐扩展形成的。
断裂面上还可能存在一些微小的裂纹、氧化物和碎裂的微观颗粒等。
这些微观特征的存在可以提供一定的断裂机制的信息。
最后，断口区域的化学成分也可以提供一定的断裂机制的信息。
断口区域的化学成分可以通过扫描电子显微镜和能谱仪等设备进行分析。
通过分析断口区域的化学成分，可以了解材料的化学组成以及可能的杂质和缺陷等。
综上所述，低周疲劳断裂的断口特征可以通过断口形貌、断口表面的微观特征和断口区域的化学成分等来进行分析。
这些特征可以为研究低周疲劳断裂的机理提供重要的参考和依据。
通过对断口特征的分析，可以进一步了解低周疲劳断裂的机理，从而为材料的设计和使用提供指导。
焊接接头的疲劳裂纹扩展分析
焊接接头的疲劳裂纹扩展分析焊接是一种常见的连接方法，广泛应用于各个行业和领域。
然而，焊接接头在使用过程中容易出现疲劳裂纹扩展的问题，这对结构的安全性和可靠性造成了威胁。
因此，对焊接接头的疲劳裂纹扩展进行分析和研究，对于提高焊接接头的使用寿命和可靠性具有重要意义。
疲劳裂纹扩展是指在循环加载作用下，焊接接头中已有的裂纹会随着时间的推移逐渐扩展，最终导致接头的破坏。
疲劳裂纹扩展是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，如应力水平、应力比、环境等。
因此，对于焊接接头的疲劳裂纹扩展进行分析，需要综合考虑这些因素。
首先，焊接接头的应力水平对于疲劳裂纹扩展具有重要影响。
应力水平越高，疲劳裂纹扩展的速度就越快。
这是因为高应力会导致焊接接头中的材料发生塑性变形，从而加速裂纹的扩展。
因此，在设计焊接接头时，需要合理控制应力水平，避免过高的应力集中。
其次，焊接接头的应力比也是影响疲劳裂纹扩展的重要因素之一。
应力比是指应力的最小值与最大值之间的比值。
当应力比为0时，即纯轴向拉伸或压缩加载时，焊接接头的疲劳裂纹扩展速度最慢。
而当应力比为-1时，即纯剪切加载时，焊接接头的疲劳裂纹扩展速度最快。
在实际应用中，焊接接头的应力比往往介于0和-1之间。
因此，合理选择应力比，可以延缓焊接接头的疲劳裂纹扩展速度。
此外，环境条件也会对焊接接头的疲劳裂纹扩展产生影响。
在潮湿和腐蚀的环境中，焊接接头的疲劳裂纹扩展速度会加快。
这是因为潮湿和腐蚀会导致焊接接头中的材料发生腐蚀和氢脆现象，从而加速裂纹的扩展。
因此，在实际使用中，需要注意保持焊接接头的干燥和防腐蚀，以延缓疲劳裂纹的扩展速度。
综上所述，焊接接头的疲劳裂纹扩展是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
在设计和使用焊接接头时，需要综合考虑应力水平、应力比和环境等因素，以延缓疲劳裂纹的扩展速度，提高焊接接头的使用寿命和可靠性。
同时，还需要进行实验和数值模拟研究，以深入了解焊接接头的疲劳裂纹扩展机理，为焊接接头的设计和使用提供科学依据。
不锈钢焊接件低周疲劳固有耗散分析
/２
εr＝ (
εmax ＋εmin)
(
１)
式中,
εmax 、
εmin 分别为一个循环 周 期 中 的 最 大 应 变 和 最 小
应变.
棘轮应变随 循 环 演 变 的 曲 线 见 图 ４,可 以 看
出,棘 轮 应 变 在 所 有 应 力 水 平 下 的 前 １００ 个 周 次
迅速增大,并 且 棘 轮 应 变 随 应 力 增 大 而 增 大.循
能 ΔW P的数学表达式为
∮
∫ Δεd(Δσ)
εP ＝ ΔσΔ
ε －２
ΔW P ＝ σ:
d
Δσ
０
(
２)
根据表达式 可 计 算 得 到 不 同 加 载 应 力 下 的 不
锈钢 ３１０S 焊接接头循环滞回能在疲劳过程中的变
化曲线(图 ５).循环滞回能在循环初期迅速减小,
(
b)热影响区
在稳定阶段缓慢减小.从图 ５ 中还可以发现,循环
表 １ 焊接件和填充材料元素的质量分数
Tab．
１ Ma
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Ni) w (
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综述焊接接头断裂形式及断口特征
综述焊接接头断裂形式及断口特征姓名： XXXXXXXXX学号： 03080222系别：数控与材料工程系专业：焊接技术及自动化学制：三年制指导教师： XXXXXXXXXXXX综述焊接接头断裂形式及断口特征摘要焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。
熔池金属在经历一系列化学冶金反应后，随着热源远离温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝，并在继续冷却中发生固态相变熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将发生不同的组织变化。
很多焊接缺陷如气孔、夹杂裂纹等都是在上述过程中产生，因此了解接头组织与性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。
焊接结构在较低的温度下工作可能导致焊接结构的低温脆断。
焊接接头中又不可避免的存在应力集中和残余应力，在反复的交变应力作用下会发生疲劳断裂。
本文通过对焊接接头的分析分别从宏观和微观的角度阐述了焊接接头的断裂形式和断口特征。
关键词残余应力、应力集中、断口特征、疲劳断裂、脆性断裂目录引言 (4)第一章焊接接头的基本理论 (5)第一节焊接接头的基础知识 (5)1.1焊接接头的组成 (5)1.2焊接接头的基本形式 (5)第二节电弧焊接头的工作应力 (6)2.1应力集中的概念 (6)2.2产生应力集中的原因 (6)第二章焊接结构的断裂控制与失效分析 (7)第一节焊接接头的断裂形式 (7)1.1断裂形式的分类 (7)1.2焊接接头的疲劳断裂 (7)1.3焊接接头的脆性断裂 (7)第二节焊接结构断裂控制与失效分析 (8)2.1焊接结构的完整性与不完整性 (8)2.2焊接结构断裂的控制 (8)2.3焊接结构断裂控制设计 (9)2.4焊接结构断裂失效分析 (9)第三章焊接接头的组织与性能 (14)第一节焊接熔合区的特征 (14)1.1熔合区形成的原因 (14)第二节焊接热影响区 (14)2.1焊接热影响区热循环的特点 (14)2.2焊接热影响区的组织分布特征及性能 (15)第四章焊接接头断口特征 (16)第一节焊接接头疲劳断裂的断口分析 (16)1.1疲劳断口的宏现形状特征 (16)1.2疲劳断口的微观形状特征 (17)第二节焊接接头脆性断裂的断口分析 (19)2.1沿晶脆性断裂 (19)2.2解理断裂 (19)2.3准解理断裂 (20)参考文献 (21)引言焊接技术是一门重要的金属加工技术，尽管焊接技术发展很快，自动化程度也越来越高，但在焊接结构中任然存在着一些缺陷，这些缺陷将导致焊接结构的断裂，影响焊接结构的使用，降低了焊接结构的安全性，通过焊接接头断口特征的分析可以判断出断裂的过程和原因，从而找出解决方法，提高焊接结构的安全性。
焊接接头的疲劳断裂机理研究
焊接接头的疲劳断裂机理研究随着工业的发展和技术的进步，焊接接头在各个领域中得到了广泛应用。
然而，焊接接头的疲劳断裂问题一直是工程界关注的焦点。
本文将探讨焊接接头的疲劳断裂机理，并分析其中的原因和解决方案。
焊接接头是将两个或多个金属部件通过熔合的方式连接在一起的工艺。
焊接接头的疲劳断裂是指在循环载荷作用下，焊接接头出现裂纹并最终断裂的现象。
疲劳断裂对于工程结构来说是非常危险的，因为它往往是突然发生的，而且很难被察觉到。
因此，研究焊接接头的疲劳断裂机理对于预防事故的发生至关重要。
焊接接头的疲劳断裂机理可以分为两个方面：焊缝区域的疲劳断裂和热影响区的疲劳断裂。
焊缝区域的疲劳断裂是由于焊接过程中产生的缺陷和应力集中导致的。
焊接过程中，由于焊接材料的熔化和凝固，焊缝中会产生气孔、夹杂物和裂纹等缺陷。
这些缺陷会导致焊缝区域的强度降低，从而容易引发疲劳断裂。
此外，焊接接头中的应力集中也会导致焊缝区域的疲劳断裂。
焊接接头中由于材料的不均匀性和焊接过程中的温度变化，会导致应力集中的形成，从而加速了焊缝区域的疲劳断裂。
另一方面，热影响区的疲劳断裂是由于焊接过程中的热输入导致的。
焊接过程中，焊接接头周围的材料会受到高温的影响，从而发生相变和晶粒长大等现象。
这些热输入引起的材料变化会导致热影响区的力学性能发生变化，从而增加了疲劳断裂的风险。
为了解决焊接接头的疲劳断裂问题，可以采取一系列的措施。
首先，焊接过程中应严格控制焊接参数，以减少焊接缺陷的产生。
例如，可以通过优化焊接电流和焊接速度来控制焊接过程中的热输入，从而减少气孔和夹杂物的产生。
其次，可以采用预处理技术来改善焊接接头的力学性能。
例如，可以通过热处理和表面强化等方法来提高焊接接头的强度和韧性，从而延缓疲劳断裂的发生。
此外，还可以通过改变焊接接头的几何形状和结构设计来减少应力集中，从而降低焊接接头的疲劳断裂风险。
总之，焊接接头的疲劳断裂机理是一个复杂而重要的问题。
焊接容易疲劳断裂分析
焊接容易疲劳断裂分析悬臂梁焊接件从底部断裂，从外观看，断裂位于底板的中间位置，靠近焊缝，断口呈纤维状，暗灰色，没有塑性变形，属于脆性断裂。
初步分析1、从零件结构看，断裂位置位于零件的几何受力中心，此处受到的力矩最大，容易产生开裂。
2、断裂位置靠近焊缝，属于过热区（宽度约1～3mm）；焊接时，它的温度在固相线至1100℃之间，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降，容易产生开裂。
3、零件在使用过程中，长期受到变化的外力作用，容易产生疲劳断裂。
<1>疲劳断裂是指金属件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂。
<2>疲劳断裂起源于引起应力集中的微裂纹，并沿特定的晶面扩展、劈开，最终形成宏观上的裂纹。
这些特定的晶面称为解理面。
<3>Q235属于金属，微观上，晶胞与晶胞之间都会有，间距较大、键结合较弱而易于开裂的低指数面（解理面）。
<4>当外力作用下，晶粒内的位错沿滑移面运动，滑移面不平行时，在交叉位置会形成位错塞积，造成应力集中，如不能通过其他方式松弛，就会在易于开裂的低指数面形成初裂纹。
<5>初裂纹很容易在晶粒内部扩展至晶界，造成晶界附近产生很大的应力集中，使相邻晶粒形成新的裂纹源。
<6>当应力足够大的时候，裂纹突破晶界的阻碍，迅速扩展，形成宏观上的金属裂纹。
<7>当合金（Q235也属于合金，铁碳合金）沿晶界析出连续或不连续的脆性相时，或者是当偏析或杂质弱化晶界时，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶界断裂。
<8>疲劳断裂，断裂前既无宏观塑性变形，又没有其他征兆，并且一断裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或很大的裂口。
焊接接头的疲劳损伤与断裂行为研究
焊接接头的疲劳损伤与断裂行为研究焊接接头是工程结构中常见的连接方式，它能够将两个或多个金属构件牢固地连接在一起。
然而，长期以来，焊接接头在使用过程中经常出现疲劳损伤和断裂的问题，给工程结构的安全性和可靠性带来了威胁。
因此，研究焊接接头的疲劳损伤与断裂行为成为了一个重要的课题。
焊接接头的疲劳损伤是指在循环荷载作用下，接头内部产生的微小裂纹逐渐扩展并最终导致断裂的过程。
疲劳断裂是一种隐蔽性较强的断裂形式，常常在无明显预兆的情况下发生，给工程结构带来了巨大的安全隐患。
焊接接头的疲劳损伤与断裂行为受多种因素的影响，其中最重要的是应力水平和循环次数。
应力水平是指接头在循环荷载作用下所承受的最大应力，它对接头的疲劳寿命有着决定性的影响。
循环次数是指接头在循环荷载作用下所经历的循环次数，它也是影响接头疲劳寿命的重要因素。
除此之外，焊接接头的几何形状、焊接质量、材料性能等因素也会对疲劳损伤与断裂行为产生一定的影响。
研究表明，焊接接头的疲劳损伤与断裂行为与接头的微观结构有着密切的关系。
焊接接头的微观结构包括焊缝区域、热影响区和母材区。
焊缝区域是焊接接头中最脆弱的部分，容易发生裂纹的产生和扩展。
热影响区是指焊接过程中受到热影响而发生组织改变的区域，它对接头的疲劳性能有着重要的影响。
母材区是焊接接头中相对较强的部分，但也存在一定的疲劳问题。
因此，研究焊接接头的微观结构对于理解接头的疲劳损伤与断裂行为具有重要意义。
为了研究焊接接头的疲劳损伤与断裂行为，科学家和工程师们采用了多种研究方法和手段。
其中，实验研究是最常用的方法之一。
通过在实验室中设计和搭建相应的实验装置，可以对焊接接头在不同应力水平和循环次数下的疲劳性能进行测试和评估。
此外，还可以通过断口分析、金相显微镜观察等手段，研究焊接接头的断裂行为，并进一步揭示其破坏机制。
除了实验研究外，数值模拟也是研究焊接接头疲劳损伤与断裂行为的重要方法之一。
通过建立适当的数学模型和计算方法，可以模拟焊接接头在不同应力水平和循环次数下的疲劳寿命，并分析其疲劳损伤和断裂行为。
TC2钛合金焊接接头组织与疲劳断裂性能研究
第24卷第3期2004年6月航空材料学报JOU RNA L OF A ERO NAU T ICAL M AT ERIAL SVol.24,N o.3June2004TC2钛合金焊接接头组织与疲劳断裂性能研究回丽1,2,谢里阳1,刘建中3,何雪1,曹志韬1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004; 2.沈阳航空工业学院机械工程系,辽宁沈阳110034; 3.北京航空材料研究院,北京100095)摘要:通过金相、硬度、拉伸以及疲劳实验,分析了T C2钛合金焊接接头显微组织结构、硬度分布规律及拉伸、疲劳性能,并综合疲劳断口特征,进一步分析了焊接接头光滑试样的疲劳性能与影响因素。
结果表明,焊缝区为A +A c相的魏氏组织,热影响区为A+A c+少量B相的魏氏组织,母材为A+B相的等轴组织。
焊缝区的硬度高于母材50HV,塑性较差,由于焊缝内几何不连续缺陷的存在使其疲劳性能较低;热影响区的硬度较低,塑性较好,其拉伸强度是焊接接头部位的最薄弱区,但却有较好的疲劳性能。
关键词:钛合金;焊接接头;显微组织;性能中图分类号:T G454文献标识码:A文章编号:1005-5053(2004)03-0048-04为减轻飞机的重量,人们从结构材料和制造工艺两个方面进行了不断的探索。
传统的铝合金占飞机总重量的比例不断减小,而具有更高比强度和热加工性能的钛合金的比例不断提高,如F-16飞机钛合金材料只占重量的3%,而F-22飞机的钛合金已达到重量的30%以上。
由于钛合金具有良好的焊接性能,其制造工艺也由原来的铆接为主,发展为可明显降低结构重量的焊接工艺。
作为承受交变载荷的结构材料,其疲劳性能是人们极为关注的,为此研究者们对各种类型钛合金的疲劳性能进行了大量研究[1~5]。
然而,焊接是一个复杂的热物理化学冶金过程,造成了焊接接头部位材料组织和性能的不均匀性,而使焊接结构的抗疲劳性能不佳,70%~80%的焊接结构失效源于焊接接头的疲劳断裂。
7050_T7451铝合金搅拌摩擦焊接头低周疲劳性能研究
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Байду номын сангаасｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｎｏｎ－ ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ， Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０， Ｃｈｉｎａ）
表 ２ ７０５０－Ｔ７４５１ 铝合金的力学性能 Ｔａｂ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ
ａｌｌｏｙ ７０５０－Ｔ７４５１
σｂ ／ ＭＰａ
σ０． ２ ／ ＭＰａ
δ（％）
ＨＶ
５１０
４５５
１０
１３５
ｍｍ／ｍｉｎ。焊后按照观测要求制成金相试样， 所选 腐蚀剂为盐酸、硝酸、氢氟酸与水的混合液， 其体 积比为 ５：３：２：１９０， 腐蚀时间为 １５ ｓ。
金属铸锻焊技术 Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２００８ 年 ７ 月
７０５０－Ｔ７４５１ 铝合金搅拌摩擦焊接头
低周疲劳性能研究
王希靖， 张 杰， 牛 勇， 李树伟， 徐 成 （兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料国家重点实验室， 甘肃 兰州 ７３００５０）
摘 要： 对航空用 ５ｍｍ 厚铝合金 ７０５０－Ｔ７４５１ 搅拌摩擦焊接头的低周疲劳性能进行了研究。在合适的焊接工艺
１ 试验
焊接用材为 ５ ｍｍ 厚 ７０５０－Ｔ７４５１ 铝合金， 其 化学成分和力学性能分别见表 １、２。
焊 接 实 验 在 ＦＳＷ－３ＬＭ－０１５ 型 ＦＳＷ 机 上 完 成。搅拌头旋转速度为 ４００ ｒ／ｍｉｎ， 焊接速度为 ４０
关于低周疲劳分析
关于低周疲劳分析1、低周疲劳研究飞机、舰船、桥梁、原子反应堆装置及建筑设备的断裂时发现：在较高应力和较少循环次数下也会发生疲劳断裂。
材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102~105次的疲劳断裂称为低周疲劳。
机件受循环应力作用，缺口根部则受循环塑性应变作用，疲劳裂纹总在缺口根部形成，所以这种疲劳也称塑性疲劳或应变疲劳。
2、低周疲劳的特点(1) 低周疲劳时，因局部区域产生宏观塑性变形，故循环应力与应变之间不再呈直线关系，形成滞后回线。
开始加载时，曲线沿OAB进行，卸载时沿BC进行；反向加载时沿CD进行，从D点卸载时沿DE进行，再次拉伸时沿EB进行；如此循环经过一定周次（通常不超过100周次）后，就达到了图中所示的稳定状态滞后回线。
(2) 低周疲劳试验时，控制总应变范围或者塑性应变范围，在给定的或下测定疲劳寿命。
(3) 低周疲劳破坏有几个裂纹源，这是由于应力比较大，裂纹容易形核，形核期较短，只占总寿命的10%。
微观断口的疲劳条带较粗，间距也宽一些，常常不连续。
(4) 低周疲劳寿命取决于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。
3、低周疲劳的金属循环硬化与循环软化定义：如果金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次的增加，其应力（形变抗力）不断增加，称为循环硬化;如果在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。
不论是产生循环硬化还是循环软化的材料，它们的应力-应变滞后回线只有在应力循环周次达到一定周次才闭合，此时即达到循环稳定状态。
4、低周疲劳的应变-寿命曲线曼森（S. S. Manson）和柯芬（L. F. Coffin）分析了低周疲劳的实验结果和规律，提出了低周疲劳寿命的公式：两条直线斜率不同，故存在一个交点，交点对应的寿命称为过渡寿命(2Nf)t；在交点左侧的低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制；在交点右侧的高周疲劳范围内，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定。
超载试验中TC18钛合金低周疲劳特性研究与断口分析
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金属疲劳断口的微观形状特征
金属疲劳断口的微观形状特征目前用断口微观分析判断失效形式，通常不是依靠裂纹源区的微观形貌，而主要是依据裂纹扩展区的微观断口形貌来进行判断。
因为零件断口上的疲劳裂纹源区一般都很小，有时根本不存在，另外在疲劳断裂的断口上，其裂纹源区的微观特征出现许多种形貌，如有些材料的裂纹源区出现韧窝状形貌，而低韧或脆性材料的源区甚至出现准解理，沿晶断裂的形貌，有些材料的源区出现疲劳条带。
为了分析引起疲劳失效的原因，需在源区上进行认真检查，就能得出失效是属于何种原因引起的。
在疲劳裂纹扩展区，其微观形貌的基本特征是具有一定间距的、垂直于主裂纹扩展方向的、相互平行的条状花样，即疲劳条带(或疲劳辉纹、疲劳条纹)，这是区别于其他性质断裂的最显著的特征花样。
疲劳条带具有如下特点：1、断口上的疲劳条带有时为连续分布，如在铝合金、钛合金、奥氏体钢中所见，有时也可能呈断续分布，如在结构钢和高强钢中所见；2、在使用状态下，疲劳裂纹往往在不同振幅的交变载荷下发生，裂纹扩展时同一平面、同一方向上疲劳条带间距变化是疲劳载荷谱在断口形貌上的反映，每一条疲劳条带代表一次载荷循环，疲劳条带的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大；3、疲劳条带的形状多为向前凸出的弧形条纹，金属中的第二相粒子可以阻止也可加速疲劳裂纹的扩展，使疲劳条带出现凹形弧线或S形弧线；4、面心立方晶体结构的材料比体心立方晶体结构的材料更易形成连续而清晰的疲劳条带；5、平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳条带，一般应力太小时观察不到疲劳条带；6、晶粒边界对疲劳裂纹的扩展起抑制作用，疲劳裂纹扩展方向从一个晶粒到另一个晶粒发生变化，产生的疲劳条带的方向也不一样；7、疲劳条带在常温下往往是穿晶的，而在高温下可以出现沿晶疲劳条带；8、材料的抗拉强度越高，越不易形成疲劳条带，高强钢或超高强度钢的疲劳断口上甚至完全不出现疲劳条带，而往往是沿晶、解理或韧窝形貌；9、高温和腐蚀环境会使断口发生氧化和腐浊，结果使疲劳条带形貌遭到破坏；10、断口两侧条纹形态对称，即峰对峰，谷对谷。
焊接结构低周疲劳损伤分形演变模型
断 裂 面 ．对 断 裂 表 面 的 细 微 观 结 构 的 观 察 发 现 ， 裂 纹 的 扩 展 路 径 通 常 是 按 Ｚ 字 形 路 径 ， 一 步 都 是 不 每 规 则 的 ， 小 不 等 ， 向 不 一 ， 且 大 Ｚ 字 形 裂 纹 上 大 方 而
定 量 描 述 焊 接 结 构 疲 劳 断 口 特 征 及宏 观 疲 劳 断 裂 特 性 提 供 了一 种 新 的 有 效 方 法 ．
［ 键 词 ］焊 接 结 构 ；疲 劳 损 伤 ； 形 模 型 关 分
［ 图 分 类 号 ］Ｔ ０ 中 Ｇ４ ５
［ 献 标识码 ］ 文 ：Ａ
焊 接 结 构 疲 劳 和 寿 命 问 题 一 直 被 认 为 是 一 个 很 重 要 的 又 是 极 其 复 杂 的 工 程 问 题 ， 些 理 论 问 题 尚 一
观 乃 至 宏 观 裂 纹 的 力 学 行 为 和 过 程 缺 乏 可 以完 整 、 系统 地 进 行 焊 接 结 构 疲 劳 寿 命 预 测 的 理 想 方 法 ＿． １ Ｊ 近 几 年 来 演 化 发
展 规 律 的 损 伤 力 学 理 论 引人 焊 接 疲 劳 性 能 研 究 中 ，
维普资讯
第 １ ７卷 第 ４期
ＶＯ１ ７ ＮＯ．４ ．１
湖 北 工 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｈｕ ｅ ｏ ｙ ｅ ｈｎ ｃ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｒ ａ ｂ ｉＰ ｌ ｔ ｃ ｉ ｏ ｉ ｅ ｓｔ ｙ
２０ ０ ２年 １ 月 ２
的 基 本 力 学 行 为 ， 力 学 性 能 的 不 均 匀 性 、 何 不 完 如 几 整 性 和 残 余 应 力 对 裂 纹 扩 展 行 为 的 影 响 ， 对 焊 缝 而 和 母 材 区 的 微 观 损 伤 机 理 以 及 从 微 观 损 伤 发 展 到 细
疲劳断口形貌及其特征
(2) 疲劳断裂性质的判别 为了进一步分析载荷性质及环境条件等因素的影响，有必要利用断口的微观特征对零件疲劳断裂的具 体类型作进一步判别。
高周疲劳断裂性质的判别 高周疲劳断口的微观基本特征是细小的疲劳辉纹。此外，有时尚可看到疲劳沟线和轮胎花样。依此即 可判断断裂的性质是高周疲劳断裂。但要注意载荷性质、材料结构和环境条件的影响。
02 疲劳断口的微观形貌 特征
(1) 疲劳断裂的微观形貌特征 疲劳断口微观形貌的基本特征是，在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、 疲劳辉纹等。疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样 。 延性疲劳辉纹：是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是 连续的，并向一个方向弯曲成波浪形。通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电子显微镜下可以观察到 微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性的。 脆性疲劳辉纹：是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理辉纹。在电 子显微镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹，又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样 及解理台阶。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂，或缓慢加载 的疲劳断裂中，其疲劳辉纹通常是脆性的。
金属热疲劳断裂性质的判别 金属热疲劳断裂的微观特征是多为粗大的疲劳辉纹，或粗大的疲劳辉纹加微孔花样，并且其上多有一 层氧化物。
接触疲劳断裂性质的判别 接触疲劳断口和磨损疲劳断口特征基本相同，其疲劳辉纹均因摩擦而呈现断续状和不清晰特征。
疲劳断口形貌及其 特征
目录
Content
01 疲劳断口的宏观形貌及其特征
02 疲劳断口的微观形貌特征
01 疲劳断口的宏观形 貌及其特征
焊接结构力学-第五章 焊接接头和结构的疲劳断裂
(3)应力循环特征系数:
r=σmin/σmax=(σm-σa)/( σm＋
σa); -1≤ r ≤1
0
(4)平均应力:
σm=(σmax+σmin)/2=σmax·(1+r)/2
(5)应力幅值:
σa=(σmax-σmin)/2=σmin·(1-r)/2
σa
σmax
σm
σmin
t
图5-1 应力循环参数图
异：
不同点 载荷性质 对温度的敏感性 受载次数 断裂经历时间 断裂经历过程
断裂机制
宏观断口形貌
微观断口形貌
脆性断裂
静载、冲击 敏感、低温易脆断 大于临界值，一次即可断裂 大于临界值，瞬间断裂 弹性能释放有余，
连续自动开裂 需要大于临界的扩展能
沿薄弱环节扩展， 错落交织人字纹
错层，河流样花纹
疲劳断裂 疲劳 不敏感
焊接结构力学 第五章 焊接接头和结构的疲劳强度
5-1 金属材料的疲劳破坏 5-2 疲劳裂纹形成及影响疲劳强度的因素 5-3 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用 5-4 焊接接头疲劳强度计算
5-5 影响焊接接头疲劳强度的因素 5-6 提高焊接接头疲劳强度的措施 5-7 其他类型疲劳
疲劳断裂
零件在循环应力作用下, 在一处或几处产生局部 永久性累积损伤,经一 定循环次数后突然产生 断裂的过程,称为疲劳 断裂.如图示意。
疲劳裂纹产生—扩展— 瞬时断裂三个阶段组成。
图5-0 疲劳断裂示意
本章内容：1.疲劳强度 2.疲劳裂纹的形成 3.断裂力学在疲劳裂纹研究中的应用 4.影响焊接接头疲劳强度的因素
本章难点：1.疲劳裂纹的形成机理 2.断裂力学与传统疲劳强度设计不同
Q345R焊接接头的低周疲劳特性
2017年10月Q345R焊接接头的低周疲劳特性孙云波孙超牙乾伊(海洋石油工程股份有限公司，天津300461)摘要:由单轴拉伸验证焊接接头特性，并与应变循环试验比较，研究循环拉伸对材料的加强作用。
对CO2气体保护焊的Q345R焊接材料在应变控制下的低周疲劳性能研究。
关键词:Q345R钢；焊接接头；疲劳特性Q345R材料性能优良，常用于锅炉、换热器等压力设备。
CO2气体保护焊效率高，成本低，焊接变形小，但由于会产生飞溅和气孔等原因，目前未在压力容器受压元件上推广应用，本文主要试验工作：通过拉伸、循环受力试验，得到Q345R钢CO2焊接接头性能参数、低周疲劳特性。
本文主要试验工作：1）进行拉伸以及单轴循环试验，得到Q345R钢CO2焊接接头基本性能数据；2）进行应变控制的低周疲劳试验，得出CO2焊接接头应变—寿命曲线。
1单轴拉伸本文的实验都是在电子多轴实验机上完成。
焊接采用的是CO2气体保护焊，焊接材料：H08Mn2Si，U 型坡口，按照GB/T8110-95标准进行制备。
图1-1试件样本对于单轴拉伸试验，焊件采用应变率为2.5*10-2。
前期试验数据呈线性变化，变形是弹性可逆的；由于是应变控制，这段变化很快，当应力值达到370MPa，数据显示应变与应力呈非线性变化，出现塑性强化，且出现了不可逆的形变。
设置应变比率为3.8%，试验变形为塑性。
重新试验时材料屈服极限增加，材料发生了明显的应变强化现象。
1.1应变-应力循环在机械和工程结构中，许多构件常受到循环交变载荷的作用，在进行循环疲劳受力后，在受力小于材料强度极限的情况下，常发生断裂，裂纹周围出现可视微小裂纹。
对于塑性较好材料，发生断裂时，通常都未发现明显的塑性变形。
本次试验通过循环载荷试验，验证接头对交变载荷情况下的性能。
将单轴拉伸曲线与应变-应力循环曲线相比，对应相同应变时应力较小，试验数据图1-2说明循环对于接头具有增强强度的作用。
图1-2循环曲线与单轴拉伸拟合图2疲劳试验设置低周循环拉伸实验，对材料疲劳寿命进行完整性的评估，低周疲劳实验的应变率一般都在10-4~10-3之间，本次试验应变率设置在5×10-3。