高速列车枕梁焊接接头腐蚀裂纹扩展行为研究

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相比传统材料,铝合金材料由于具有轻质、高强的性能而在高速列车铝合金车体与枕梁等关键部件上广泛应用。高速列车在实际服役过程中会受到交变载荷与腐蚀介质的共同作用,并且随着高速列车服役年限的增加,铝合金及其焊接接头的腐蚀疲劳破坏的风险也大大增加。因此研究高速列车服役180万公里后枕梁A7N01铝合金焊接接头的腐蚀疲劳断裂行为,具有重要的实际工程应用价值。高速列车枕梁由A7N01P-T4铝合金板材与A7N01S-T5铝合金型材通过MIG焊对接制造,因此本文研究了高速列车服役180万公里后A7N01P-T4、A7N01S-T5铝合金枕梁MIG焊接头各区域在空气与3.5wt.%Na Cl溶液中腐蚀疲劳裂纹扩展行为。结果表明,腐蚀环境与疲劳的共同作用会降低接头各区域的疲劳性能,其中焊缝区抗腐蚀疲劳裂纹扩展的能力最强,A7N01S-T5铝合金母材及热影响区抗腐蚀疲劳裂纹扩展的能力最差,A7N01P-T4铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率介于两者之间。接头各区域的腐蚀疲劳裂纹扩展过程具有氢脆与阳极溶解两种机理,并且裂纹扩展路径是通过穿晶与沿晶的混合模式扩展。焊缝与A7N01S-T5铝合金腐蚀疲劳裂纹路径平直,A7N01P-T4铝合金母材及热影响区出现裂纹分叉现象,这主要与A7N01P-T4铝合金在服役过程中的疲劳损伤以及第二相的分布有关。不同机械损伤下A7N01P-T4铝合金母材的腐蚀疲劳裂纹扩展试验表明,机械损伤会改变材料的组织与力学性能,相比未机械损伤的试样,塑性损伤试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率呈现出先增加后减小的趋势,塑性损伤程度最大的试样疲劳裂纹扩展门槛值要高于未塑性损伤的试样,这是由于内部位错间的弹性交互作用导致腐蚀疲劳裂纹扩展的抗力增大。疲劳损伤后的试样腐蚀疲劳裂纹扩展速率随着损伤程度的增加而增大,并且疲劳损伤后的A7N01P-T4铝合金母材与服役180万公里后A7N01P-T4铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展路径都具有较为明显的二次裂纹与裂纹分叉,塑性损伤后的试样疲劳裂纹无裂纹分叉现象。结合不同机械损伤试样的腐蚀疲劳裂纹扩展路径与断口,认为疲劳损伤后的试样腐蚀疲劳裂纹扩展过程发生阳极溶解机理倾向性更大,而塑性损伤的试样腐蚀疲劳裂纹扩展过程主要是通过氢脆的机理。
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