论文摘要
基于轻质高强及矿产资源丰富的优势,镁合金已逐渐成为“陆海空天”交通运载装备中的重要结构材料。这些运载装备都是焊接结构,大部分都承受疲劳载荷的作用,潜在的危害大多是由于焊接接头疲劳失效引起的。而目前国内有关镁合金疲劳评定方法的研究还处于空白阶段,因此,研究镁合金焊接接头疲劳性能及其评定方法对镁合金结构的广泛应用与安全性具有重要的理论意义和实用价值。本文主要采用有限元模拟手段研究AZ31B镁合金TIG焊接接头疲劳评定局部法中的临界距离法和临界面法,并将评定结果与疲劳试验结果进行对比分析。通过疲劳试验分析对接接头、横向十字接头和纵向十字接头三种接头型式的疲劳性能,观察不同接头型式的疲劳断裂位置,并通过扫描电镜分析其断裂类型；采用临界距离（CDM）法对对接接头、横向十字接头和纵向十字接头三种接头型式进行疲劳评定分析；采用考虑焊接残余应力的临界面（CPM）法对横向十字接头进行焊接温度场和残余应力场分析,并最终确定局部参量进行疲劳评定研究分析。论文首先通过疲劳试验测试了AZ31B镁合金对接接头、横向十字接头和纵向十字接头三种典型焊接接头型式的疲劳性能,根据疲劳试验数据进行了S-N曲线拟合。按照国际焊接学会（IIW）推荐的数据处理方式,分析得出对接接头、横向十字接头和纵向十字接头型式的疲劳试验中值（存活率50%）S-N曲线的表达式分别为：lgN=13.45-4.491gΔσ、lgN=11.05-3.391gΔσ和lgN=11.38-3.371gΔσ。得出在2×106循环次数下,三种接头型式的疲劳强度分别为：39.17MPa、25.11MPa和32.15MPa。采用国际焊接学会推荐的S-N曲线斜率m=3.0时,相应的S-N曲线表达式分别为：lgN=11.01-3.001gΔσ、lgN=10.45-3.00lgΔσ和lgN=10.78-3.00lgΔσ。得出在2×106循环次数下,三种接头型式的疲劳强度分别为：37.04PMpa、24.19MPa和31.20MPa。对比分析发现,采用国际焊接学会推荐的m=3.0时得出的疲劳强度值与疲劳试验相比都较低,说明国际焊接学会推荐的方法对AZ31B镁合金来说是偏于安全的。观察不同接头型式的疲劳断裂的宏观裂纹形貌,可以看出失效件的断裂位置均位于焊趾处。通过扫描电镜分析其断裂类型,分析发现AZ31B镁合金焊接接头疲劳断口中存在大量疏松的低熔共晶物,具有河滩状条纹、二次裂纹、舌状条纹、台阶状条纹等明显的解理断裂特征,可以认为AZ31B镁合金焊接接头的疲劳断裂属于典型的解理断裂。采用临界距离（CDM）法中的点法（PM）和线法（LM）对AZ31B镁合金对接接头、横向十字接头和纵向十字接头进行疲劳评定。通过有限元软件模拟分析,观察不同接头型式的应力云图分布,可以看出三种接头型式的最大应力均位于焊趾处,即焊趾处为试件最有可能发生疲劳断裂的危险点。观察不同接头型式不同试件与最大主应力垂直方向（沿裂纹扩展方向）路径r上的应力分布状况,即△σ1-r曲线,计算出PM法和LM法的局部应力参量△σloc-p和△loc-L,拟合出相应的S-N曲线,并得出三种接头型式采用PM法时S-N曲线的表达式分别为：lgN=15.14-4.651gΔσ、lgN=12.03-3.391gΔσ和lgN=12.48-3.391gΔσ;采用LM时,分别为：lgN=14.94-4.551gΔσ、lgN=11.90-3.401gΔσ和lgN=11.99-3.371gΔσ。得出在2×106循环次数下,对接接头、横向十字接头和纵向十字接头采用PM法的疲劳强度分别为79.55MPa、49.10MPa和66.49Mpa;采用LM法的疲劳强度分别为79.01MPa、44.38MPa和48.93MPa。将评定结果与疲劳试验结果进行对比分析,结果表明,采用CDM法可以对AZ31B镁合金三种接头型式进行合理的疲劳评定,其评定结果与疲劳试验结果相符合,依据应力集中大小可以有效预测疲劳断裂位置。采用考虑焊接残余应力的CPM法对AZ31B镁合金典型的角接头型式——横向十字接头进行了疲劳评定研究。通过采用有限元模拟软件对横向十字接头型式的实际焊接顺序模拟,进行焊接温度场和残余应力场耦合分析,观察四道焊缝残余应力场应力云图分布,发现四道焊缝均为焊趾处应力最大,并计算得出每道焊缝沿x、y、z三个方向的残余应力值。四道焊缝沿三个方向的残余应力大小也并不相同,相比而言,按照实际焊接顺序,第三道焊缝焊趾处的残余应力最大。根据有限元分析计算出试件局部最大主应力及应力比R=0,最终计算出各试件的局部参量βexp。在Dang Van疲劳评定准则基础上,将参数修正为α*=0.5,β*=55MPa,并拟合出Dang Van图形,即zmax—Pmax+1/3 tr（σres）曲线。从Dang Van图上可以看出处于修正后Dang Van线右上侧的试样发生疲劳断裂,处于Dang Van线左下侧的试样则不会发生断裂。说明修正的临界面法可以对AZ31B镁合金横向十字接头进行合理的疲劳评定分析,并可以根据应力集中大小预测试件可能的疲劳断裂位置。