高强铝合金搅拌摩擦焊接头高周疲劳薄弱区域与小裂纹扩展研究

“Speed up the large aircraft development” is one of the 100 major projects on the implementation of 13th Five-Year Plan in our country. As a new technology of manufacturing aircraft structural parts, the friction stir welding technology of high strength aluminum alloy relates to people's lives. Its quality has already been brought into national strategy. Aiming at the deep research and development of the issues of fatigue failure, small crack propagation and life prediction method, in the project with the friction stir welded joints of high strength aluminum alloy as the research project, establishing the fatigue life prediction method as the goal, based on the study of high-cycle fatigue failure and small crack propagation, the key scientific issues of models of fatigue weak area prediction and small crack propagation are studied in the project. A fatigue life prediction method for the friction stir welded joints is proposed based on the small crack propagation method which is verified with the test data to provide precise fatigue life prediction for the important friction stir welded structure components in the service and offer theoretical and technical support for the safe use of important equipment.

“加快大型飞机研制”是国家“十三五”计划实施的百个重大工程之一，高强铝合金的搅拌摩擦焊技术作为飞机重要结构件的一种制造新技术，它的质量要求关系着人们的生命安全，而且已达到国家战略的高度。针对目前高强铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳失效问题、小裂纹扩展机理及疲劳寿命预测理论还需要深入研究和发展，本项目以飞机常用高强铝合金材料的搅拌摩擦焊接头为研究对象，以建立搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测理论为目标，以接头的高周疲劳失效及小裂纹扩展研究为基础，系统研究搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域预测模型和小裂纹扩展定量描述模型等关键科学问题，通过试验数据进行理论验证，提出一种基于小裂纹扩展理论的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，为服役的搅拌摩擦焊焊接关键结构部件提供准确的疲劳寿命预测，为重大设备的安全使用提供理论和技术支撑。

搅拌摩擦焊技术作为飞机重要结构件的一种制造新技术，它的质量要求关系着人们的生命安全。针对目前高强铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳失效问题，本项目以飞机常用高强铝合金搅拌摩擦焊接头为研究对象，系统研究搅拌摩擦焊接头疲劳失效机理和小裂纹扩展规律。. 通过复型和显微观测技术，研究了7075铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳小裂纹的萌生和扩展机制，发现应力大小和应力比影响接头疲劳寿命和断裂位置。接头各区域强化颗粒、流线和晶粒尺寸等，影响小裂纹萌生和扩展。应力比为0.1时裂纹多数萌生在焊核区，焊核区的硬化颗粒聚集处对小裂纹萌生有很大的影响；应力比为-0.3时裂纹多萌生于母材的小凹坑处。. 在实验和理论分析基础上，提出考虑接头微结构特征的疲劳薄弱区域界定方法和数值模型。考虑接头各区域晶体特征和硬化颗粒影响，针对各区建立能反映晶体结构特征的代表性体积单元，采用晶体塑性本构关系描述代表性体积单元中的应力应变响应，综合考虑强化颗粒和晶体结构特征建立接头疲劳模型，结合模型的累积应变和应力分布等情况，确定接头的疲劳薄弱区域。. 根据接头各区域疲劳小裂纹扩展规律，建立了适用于不同加载条件下的接头裂纹扩展模型，对铝合金搅拌摩擦焊接头进行了寿命预测，预测误差基本在2倍因子以内。. 该项目研究揭示了搅拌摩擦焊接头小裂纹扩展规律和失效机理，提出考虑接头微结构特征的疲劳薄弱区域界定方法，基于小裂纹扩展理论提出了适于搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命预测方法，为服役的搅拌摩擦焊焊接关键结构部件提供准确的疲劳寿命预测，为重大机械装备的安全使用提供理论和技术支撑。