超长寿命区间高强铝合金搅拌摩擦焊接头颗粒物致裂机理研究及寿命预测

Friction stir welded (FSW) joints in high strength aluminum alloys have a widely application in automotive, aerospace, high speed railway and so on. In their working service, cyclic loading will be applied for a long time, but the super-long life fatigue strength and failure mechanisms are not clear. This project aims to experimentally investigate the Ultra-long life fatigue (ULF) behaviors of FSW joint in high strength aluminum alloys by focusing on three scientific problems: (1) distribution characteristics of particles in different subzones of welded joint and their effects on the fatigue crack initiation and propagation mechanisms; (2) local fatigue strength and failure mechanisms of FSW joints in ULF region; (3) prediction of fatigue life of FSW joints in ULF range. Based on the studies in this project, the effect of particles on ULF failure mechanisms of FSW joints would be clarified hopefully, and the prediction method for ULF strength would be proposed. Therefore, the project research has important theoretical and practical values for FSW process optimization, reliability design and life assessment.

高强铝合金搅拌摩擦焊（FSW）接头在汽车、航空航天、高速列车等领域有着广泛应用，服役期间需承受循环载荷的长期作用，但目前其超长寿命疲劳强度及失效机制尚未完全明确。本项目拟对高强度铝合金FSW接头的超长寿命疲劳行为进行试验研究，重点解决三个科学问题：（1）颗粒物在接头焊核区与热机影响区的存在形式及其导致疲劳裂纹萌生和扩展的机理；（2）FSW接头局部超长寿命疲劳强度及失效机制；（3）FSW接头超长寿命的预测方法。通过本项目的研究，可望阐明颗粒物对高强铝合金FSW接头超长寿命疲劳失效的作用机理，并提出有效预测接头超长寿命疲劳强度的方法，对搅拌摩擦焊工艺制定、可靠性设计和寿命评估有着重要的科学意义和应用价值。

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型的固相焊接方法，可较好地保持铝合金焊接接头的力学性能，在航空、航天、汽车、船舶及核工业方面都有着广泛的应用。高强铝合金FSW接头在服役期间需承受循环载荷的长期作用，长寿命与高可靠性是国家重大装备与工程不断追求的目标，但铝合金FSW接头超长寿命疲劳强度及失效机制尚未完全明确。本项目聚焦于颗粒物对高强铝合金FSW接头的超高周疲劳行为的影响，开展相关试验研究与理论分析工作，力求阐明颗粒物对高强铝合金FSW接头超高周疲劳失效的作用机理，并提出有效预测接头超高周疲劳强度的方法。重点开展了以下三方面研究：.（1）颗粒物在接头各局部区域的存在形式及其导致疲劳裂纹萌生和扩展的机理。发现铝合金焊核区主要存在两种颗粒物，铁基化合物和碳化硅化合物，他们对高强铝合金的超高周疲劳性能起到确定性作用，研究发现微米级颗粒物是导致疲劳裂纹形成的主要因素，并且不同种类的颗粒物在裂纹形核方面扮演着不同的作用。（Adv Mater Sci Eng, 2017; Inter J Fatigue, 2019）.（2）FSW接头局部超高周疲劳强度及失效机制。研究发现不同寿命区间FSW接头发生疲劳断裂的位置出现不同，在高周和低周疲劳区间，疲劳失效发生于前进侧热影响区，而在超长寿命区间，疲劳断裂则出现在焊核区。两个区域的疲劳裂纹萌生均由基体内部的颗粒物尺寸、形态和位置来决定。两个区域间颗粒物的区别导致了疲劳失效在不同寿命区间出现差异。（Fatigue Fract Eng Mater Struct, 2017; Mater Sci Eng-A, 2019）.（3）FSW接头超高周疲劳寿命的预测方法。根据Murakami关于高强钢夹杂物尺寸与疲劳强度的经典关系式，我们基于断口裂纹源特征，引入疲劳寿命与颗粒物尺寸的确定性影响联系，提出了疲劳寿命预测模型，并由此得到了疲劳裂纹初期扩展速率预测模型。（Mater Sci Tech, 2018; Inter J Fatigue, 2018）.研究成果在国内外高水平学术刊物发表论文11篇，其中SCI收录论文9篇，参加国内外学术会议及交流8次，协助培养硕士研究生2名，疲劳失效机制的研究为搅拌摩擦焊工艺优化、可靠性设计和寿命评估提供了可靠试验依据，在航空、航天、汽车等领域FSW接头的长寿命服役安全性较高的潜在应用价值。