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TC4钛合金高能束流焊接接头组织与疲劳性能研究

作　者: 陈斌
导　师: 杨新岐
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TC4钛合金高能束流焊搭接与叠焊接头疲劳断裂疲劳强度
分类号: TG407
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文对TC4钛合金高能束流(激光焊LBW和电子束焊EBW)搭接与叠焊接头的疲劳断裂行为进行了详细研究。首先应用ANSYS软件对焊接接头的应力集中进行了计算分析;其次对焊接接头微观组织、显微硬度、疲劳强度及寿命特性进行了试验研究,对疲劳断口上的焊接缺陷进行了观察与分析,探讨了焊接缺陷对疲劳行为的影响,对疲劳断口用扫描电镜(SEM)观察;最后焊接接头疲劳裂纹的萌生和扩展行为进行了分析讨论,探讨了焊接缺陷与疲劳强度的相互影响规律。有限元计算分析表明,焊接接头类型和搭接间隙是影响应力集中的关键因素,搭接接头应力集中为6.8~7.3明显高于叠焊接头的1.4~2.3,但搭接接头间隙的增大对应力集中影响较小;激光叠焊接头最大应力都出现在焊缝上板咬边缺陷处;而电子束焊最大应力出现在上板咬边或是下板凸高处。疲劳试验结果表明,TC4钛合金高能束流焊搭接接头疲劳断裂位置都出现在热影响区。通过对疲劳寿命进行线性拟合分析得出:激光焊对应N=2×106疲劳寿命下,搭接疲劳强度为41.3MPa,而电子束焊接接头所对应的疲劳强度为39.7MPa;激光叠焊焊接接头所对应的疲劳强度为210.3MPa,而电子束焊接接头所对应的疲劳强度184.1MPa,激光焊接接头具有更高的疲劳强度。对于搭接接头,影响其疲劳强度的主要因素为搭接间隙;对于激光叠焊焊接接头,随着咬边深度和焊缝根部凸高的增加,疲劳强度不断下降;对电子束焊表面进行重熔,使得其疲劳强度平均提高80%。疲劳断口分析表明,应力水平和接头形式对TC4钛合金焊接接头疲劳断裂特征的影响较大。随着应力水平的增加,断口疲劳源区和扩展区的光滑小刻面数量增多,裂纹扩展初始阶段层片状开裂的二次裂纹更加明显,扩展区变得粗糙,高度差增大;搭接接头存在多个裂纹源,裂纹扩展速度快,基本不产生二次裂纹。微观组织分析表明,原始TC4母材中细小的α+β等轴晶粒结构经焊后转变为α+β和α′马氏体交叉混合不均匀和粗化组织结构。激光焊缝中的网篮状α′马氏体组织要多于电子束重熔焊缝中的,而热影响区中情况刚好相反。激光焊上板与下板的焊缝和热影响区硬度均高于母材,而电子束焊上板的焊缝区的硬度值和母材相当,下板的焊缝和热影响区硬度均高于母材。研究结果为激光和电子束焊接在航空制造领域的应用提供重要参考依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-20
  1.1 选题背景及研究意义  9-10
  1.2 钛合金的特点及其焊接性能  10-12
    1.2.1 钛合金的特点  10
    1.2.2 钛合金焊接中存在的主要问题  10-12
    1.2.3 采用高能束流焊接钛合金的优点  12
  1.3 国内外高能束流焊接钛合金应用现状  12-14
  1.4 国内外钛合金及其焊接结构疲劳性能研究现状  14-18
    1.4.1 钛合金焊接件疲劳裂纹扩展及断口微观形貌  14-15
    1.4.2 不同焊接工艺对疲劳性能的影响  15-16
    1.4.3 微观组织结构对疲劳性能的影响  16-17
    1.4.4 焊后热处理对疲劳性能的影响  17
    1.4.5 焊接缺陷对疲劳行为的影响  17-18
  1.5 本文研究的主要内容  18-20
第二章试验材料及试验方法  20-28
  2.1 试验材料  20
  2.2 疲劳试样的制备  20-23
  2.3 疲劳试样间隙与焊接缺陷的测量  23
  2.4 TC4 钛合金高能束流焊接接头应力集中计算  23
  2.5 疲劳S-N曲线试验  23-25
    2.5.1 疲劳试验设备  23-24
    2.5.2 绘制疲劳S-N曲线基本原理  24-25
  2.6 金相试样制备  25-26
  2.7 显微硬度测试  26
  2.8 疲劳断口扫描电镜观察  26-27
  2.9 本章小结  27-28
第三章 TC4 钛合金高能束流焊接接头应力集中计算分析  28-39
  3.1 引言  28
  3.2 定义材料属性  28
  3.3 建立有限元模型  28-30
    3.3.1 计算模型尺寸  28-29
    3.3.2 有限元模型建立  29-30
  3.4 应力集中结果分析与讨论  30-38
    3.4.1 搭接接头应力集中分析与讨论  30-33
    3.4.2 叠焊接头应力集中分析与讨论  33-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章 TC4 钛合金高能束流焊接接头疲劳试验结果分析与讨论  39-58
  4.1 引言  39
  4.2 TC4 钛合金高能束流焊接接头疲劳试验结果分析和疲劳强度对比  39-43
    4.2.1 TC4 钛合金激光束流搭接焊接接头疲劳试验结果  39-41
    4.2.2 TC4 钛合金电子束搭接焊接接头疲劳试验结果分析  41-43
  4.3 TC4 钛合金高能束流叠焊焊接接头疲劳试验结果分析  43-52
    4.3.1 TC4 钛合金激光叠焊焊接接头疲劳试验结果分析  43-49
    4.3.2 TC4 钛合金电子束叠焊焊接接头疲劳试验结果分析  49-52
  4.4 TC4 钛合金高能束流焊接接头疲劳强度对比  52-55
    4.4.1 TC4 钛合金搭接焊接接头疲劳强度对比  52-53
    4.4.2 TC4 钛合金叠焊焊接接头疲劳强度对比  53-55
  4.5 TC4 钛合金高能束流焊接缺陷和预制间隙对疲劳强度的影响  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 TC4 钛合金高能束流焊接接头疲劳断裂行为  58-68
  5.1 引言  58
  5.2 TC4 钛合金高能束流焊接接头疲劳断口SEM分析  58-65
    5.2.1 TC4 钛合金激光叠焊焊接接头疲劳断裂特征  58-62
    5.2.2 TC4 钛合金高能束流搭接接头疲劳断裂特征  62-65
  5.3 TC4 钛合金激光焊与电子束焊接接头疲劳断裂特征对比分析  65-67
    5.3.1 疲劳断口的宏观形貌特征对比分析  65-66
    5.3.2 疲劳断口的微观形貌特征对比分析  66-67
  5.4 本章小结  67-68
第六章 TC4 钛合金高能束流焊接接头的显微组织和缺陷分析  68-83
  6.1 TC4 钛合金高能束流焊接接头显微组织观察与分析  68-72
    6.1.1 TC4 钛合金高能束焊接接头截面宏观组织观察  68-69
    6.1.2 TC4 钛合金母材显微组织观察  69
    6.1.3 TC4 钛合金高能束流焊接接头显微组织分析  69-72
  6.2 TC4 钛合金高能束流焊接接头显微硬度分布与对比  72-76
    6.2.1 焊接接头显微硬度分布  72-74
    6.2.2 激光焊与电子束焊焊缝截面显微硬度分布对比  74-76
  6.3 TC4 钛合金高能束流焊接接头成形缺陷和显微缺陷的观察与分析  76-82
    6.3.1 TC4 钛合金高能束流焊接接头焊缝成形缺陷的观察与分析  76-79
    6.3.2 TC4 钛合金高能束流焊接气孔观察与分析  79-82
  6.4 本章小结  82-83
第七章本文结论  83-85
参考文献  85-89
发表论文和科研情况说明  89-90
致谢  90

TC4钛合金高能束流焊接接头组织与疲劳性能研究

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