高速列车铝合金纵长焊接接头的非比例多轴低周疲劳短裂纹行为研究

采用模拟高速列车运行载荷谱的非比例多轴低周疲劳试验和原位观察技术，研究A6N01铝合金纵长焊接接头的低周疲劳短裂纹行为。采用SEM、HRTEM等方法观察β′等析出相的溶解与粗化、点阵失配、共格关系、相界、晶界对位错运动的影响，研究界面错配应力与位错的交互作用，探求短裂纹形核的机制及控制因子，提出低周疲劳短裂纹的早期萌生模型。针对裂纹尖端塑性区对MSC、PSC扩展路径和裂纹偏析的影响，提出裂尖产生位错的微观机制。结合裂纹闭合效应和微结构对裂纹扩展的影响，探求MSC、PSC扩展的主要控制因子，提出PSC、MSC的临界裂纹长度。观察MSC、PSC形态与密度，结合相邻MSC、PSC的干涉与耦合，研究MSC、PSC的群体行为，提出短裂纹的扩展机制及理论模型。通过本课题的工作，有助于认识焊接接头疲劳性能大大降低的关键问题，对于新型高速列车的轻量化疲劳设计与制造、高安全可靠性运行具有重要的基础理论意义。

项目基于我国高速列车长周期高安全可靠性运营的需要，已经按照计划完成了高速列车高强铝合金对接与T型等纵长焊接接头的单轴与非比例多轴低周疲劳等试验与短裂纹损伤行为研究。低周疲劳表面裂纹损伤起源于表面的滑移带，控制表面裂纹萌生的主要因子是在剪切应力作用下基体组织(111)面的滑移引起的挤入挤出效应。表面裂纹起源具有“自由竞争”的特征，短裂纹MSC和PSC的临界裂纹长度约为40-50μm，控制MSC向PSC转化的机制是MSC短裂纹向垂直于主应力方向偏折。率先偏离切应力方向向垂直主应力偏折而进入PSC阶段的短裂纹具有“优先成长”优势。PSC短裂纹与长裂纹的临界裂纹长度约为0.15-0.3mm。内部疲劳微裂纹形核的机理是空位群集聚，晶界或相界的位错塞积及空位集聚产生微空洞群。裂纹萌生的标志是两个微裂纹核心的相互连接。微裂纹形成的萌生长度约为50nm。微裂纹萌生后进入MSC扩展阶段，微观组织对MSC长大具有强烈影响性，MSC沿晶生长的机制是微裂纹核心间或与密集空位群的相互连接。控制MSC短裂纹扩展的主要因子是晶粒尺度和析出相尺度，细小晶粒和弥散分布的细小析出相可有效迟滞MSC短裂纹生长。内部裂纹起源的“自由竞争”使微裂纹形核和MSC短裂纹丰富。疲劳主裂纹与次裂纹的扩展存在耦合与干涉等群体性交互作用，PSC阶段主裂纹和长裂纹裂尖前沿的次裂纹对主裂纹扩展具有导向作用，不在主裂纹扩展方向上的次裂纹生长受到抑制。PSC短裂纹扩展的机制是裂纹尖端前沿的“空洞连体”。控制PSC短裂纹扩展的主要因子是正应力及其作用下裂纹尖端塑性区的空洞群。内部“自由竞争”阶段起源的丰富MSC短裂纹和微裂纹核心促进了PSC短裂纹的扩展。裂纹尖端区域驻留滑移带的次裂纹不断并和到主裂纹中，引起裂纹分支和偏折，但主裂纹并不必然沿驻留滑移带扩展。低周疲劳应力、应变与疲劳寿命的对数关系线性良好。高强铝合金及其焊接接头存在疲劳软化现象。研究项目对于认识焊接接头疲劳性能大大降低的关键问题，对于新型高速列车的轻量化疲劳设计与制造、高安全可靠性运行具有重要的基础理论意义。