镁合金稳定梯度纳米结构焊接接头疲劳断裂机理及寿命预测

This project is aimed at the urgent demand of lightweight, safety and long life of transportation equipment in the field of land, ocean, air and space, and breaks through the bottleneck of increased longevity and life prediction evaluation of welded structures. Based on ultrasonic impact/rolling technology, the key scientific problems of AZ31B magnesium alloy welded joints such as the surface strengthening mechanism, fatigue fracture mechanism, fatigue life prediction method which considers the effect of microstructure, work hardening, residual stress and roughness on fatigue life are studied. . The innovation in theory is to reveal the surface nano-strengthening mechanism of heterogeneous welded joints and to establish fatigue failure mechanism of magnesium alloy welded joints under stable gradient nano-structures.. The innovation in practical application is to establish a new fatigue life prediction method of magnesium alloy welded joints based on ultrasonic impact/rolling technology, and promote its application in other welded joints and the complicated welded structures. . The completion of this project will accelerate the lightweight process of aerospace, automotive and air weapons, and promote the development of fatigue life extension methods and fatigue life prediction theory of welded joints.

本项目面向国家在“陆海空天”领域交通运载装备轻量化、安全性和长寿命的迫切需求，突破焊接结构寿命提高、寿命预测等领域的难题。针对镁合金（AZ31B）焊接接头并基于超声冲击/滚压强化技术，对焊接接头表面纳米强化机制、疲劳断裂机理及考虑组织结构、加工硬化、残余应力及粗糙度等参量的超声冲击/滚压强化焊接接头的寿命预测方法等关键科学问题开展研究。. 在理论上的创新：揭示非均质镁合金焊接接头表面纳米强化机制，建立稳定梯度纳米结构下镁合金焊接接头疲劳失效机理。. 在实际应用上的创新：建立基于超声冲击/滚压延寿技术的镁合金焊接接头疲劳寿命预测新方法，并完善其在其它材料焊接接头及复杂焊接结构上的应用。. 项目的完成将加速航空航天、汽车、空中武器装备的轻量化进程，促进焊接接头疲劳延寿技术和寿命预测理论的发展。

本项目面向国家在“陆海空天”领域交通运载装备轻量化、安全性和长寿命的迫切需求，突破焊接结构寿命提高、寿命预测等领域的难题。针对镁合金及相关轻量化材料焊接接头并基于超声冲击/滚压强化技术，对焊接接头表面纳米强化机制、疲劳断裂机理及考虑组织结构、加工硬化、残余应力及粗糙度等参量的超声冲击/滚压强化焊接接头的寿命预测方法等关键科学问题开展研究。. 研制了可自动调控静压力的超声冲击/滚压加工反馈系统，通过在换能器另一端安装气缸推动超声工具系统工作头以稳定的静压力作用于焊接接头表面，保证了超声强化的稳定性。. 获得了镁合金焊接接头超声冲击/滚压强化机理。阶段一：原始晶粒中形成位错墙、位错缠结以及位错胞结构。在高频超声冲击/滚压载荷重复作用下，各种位错行为如位错滑移、湮灭、重排等被激发来协调塑性变形，这些位错行为导致粗晶内生成位错缠结、位错墙以及位错胞结构。阶段二：位错墙和位错缠结细分粗晶形成小角度亚晶粒。随着应变不断增加，位错密度持续增大，为降低晶体内点阵微观畸变以及系统整体能量，位错墙以及位错缠结等高密度位错持续湮灭和重排，形成具有小角度晶界的亚晶粒。阶段三：亚晶粒转变为大角度晶界纳米晶粒。超声冲击/滚压处理材料表面应变率较高，在这种高应变和高应变速率作用下，焊缝表面发生了强烈塑性变形，位错墙和亚晶界进一步演变，表面形成了呈随机取向分布的等轴状纳米晶组织。. 建立基于超声冲击/滚压延寿技术的镁合金焊接接头疲劳寿命预测新方法，明确了超声冲击/滚压强化后组织结构、加工硬化、残余应力及粗糙度等参量是影响强化接头疲劳性能的主要因素，为超声冲击技术/滚压技术的应用奠定了基础。. 本项目在理论上的创新：揭示非均质镁合金焊接接头表面纳米强化机制，建立稳定梯度纳米结构下镁合金焊接接头疲劳失效机理。. 本项目在实际应用上的创新：建立基于超声冲击/滚压延寿技术的镁合金焊接接头疲劳寿命预测新方法，并完善其在其它材料焊接接头及复杂焊接结构上的应用。. 本项目成果包括：发表SCI/EI检索论文10篇，申请发明专利5项；培养硕士、博士研究生共3人。. 本项目的完成将加速航空航天、汽车、空中武器装备的轻量化进程，促进焊接接头疲劳延寿技术和寿命预测理论的发展。