【摘 要】
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铝合金由于密度低、比强度高、成形性好,现已成为制造新型高速列车车体的首选材料。铝合金焊接结构件在列车上的应用广泛,由于接头区域的成分与组织差异显著,往往成为其最薄弱的部位,在使用过程中产生腐蚀损伤与疲劳损伤,影响列车安全运行。特别是异种铝合金焊接结构,各区域合金成分、晶粒大小、第二相粒子分布等均有差异,导致电化学性质不均匀,使焊接接头的腐蚀敏感性增加,易在循环载荷的耦合作用下产生腐蚀疲劳开裂。异种
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铝合金由于密度低、比强度高、成形性好,现已成为制造新型高速列车车体的首选材料。铝合金焊接结构件在列车上的应用广泛,由于接头区域的成分与组织差异显著,往往成为其最薄弱的部位,在使用过程中产生腐蚀损伤与疲劳损伤,影响列车安全运行。特别是异种铝合金焊接结构,各区域合金成分、晶粒大小、第二相粒子分布等均有差异,导致电化学性质不均匀,使焊接接头的腐蚀敏感性增加,易在循环载荷的耦合作用下产生腐蚀疲劳开裂。异种铝合金焊接接头受不同腐蚀环境影响,发生腐蚀的位置尚无定论,从基材区到焊核区都有发生腐蚀导致疲劳失效的可能,内在原因仍需进一步澄清。因此,本课题以轨道交通用6005A-5083异种铝合金焊接接头为研究对象,对其微观组织特征、力学性能、耐蚀性能及疲劳性能进行系统研究,探明接头的腐蚀敏感性,揭示接头发生疲劳性能退化的薄弱部位与关键因素,本课题能够为轨道交通用异种铝合金焊接接头的耐蚀性与疲劳性能研究提供理论与实验支撑。主要结论如下:6005A-5083接头在焊接过程中,焊丝中的Mg元素向6005A热影响区(6005A-HAZ)扩散,在该区域产生过量Mg的固溶强化,同时受焊接热的影响,6005A-HAZ内部均匀分布的β"相发生粗化,在上述两重因素的综合作用下,6005A-HAZ出现明显的硬度软化区,硬度最低值为51HV。6005A-5083焊接接头的平均屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为149.8MPa、196.3MPa和5.1%。所有拉伸试样均断裂在6005A-HAZ中的硬度最低值处,说明该软化区为焊接接头发生拉伸断裂的薄弱部位。6005A-5083焊接接头各区域的晶间腐蚀与剥落腐蚀敏感性从低到高分别为WZ区<6005A-HAZ<6005A-BM<5083-HAZ<5083-BM。电化学分析表明,焊接接头不同区域的腐蚀电位不同,在腐蚀溶液中会产生电耦合效应。其中WZ区的腐蚀电位最高(-1.088V),5083-BM区的腐蚀电位最低(-1.322V),因此在腐蚀原电池中,5083-BM(阳极)表现出加速腐蚀以保护WZ(阴极)。焊接接头的慢应变速率拉伸结果表明,其对于3.5wt.%Na Cl溶液不具有应力腐蚀敏感性,应力腐蚀断裂位置同样位于6005A-HAZ软化区,断口呈现拉伸断裂特征。焊接接头在三种不同盐度和酸度的腐蚀溶液中的抗晶间腐蚀性能不同,晶间腐蚀裂纹扩展对HCl溶液更敏感,5083-BM区的晶间腐蚀深度最大。无腐蚀条件下,6005A-5083焊接接头的疲劳极限应力为96MPa,焊合区的缺陷为疲劳试样开裂的主要因素。当接头存在晶间腐蚀裂纹时,发现当腐蚀深度<248μm时,焊接缺陷仍是决定断裂位置的主导因素,疲劳性能退化的薄弱区域为WZ区;而当腐蚀深度>248μm时,5083-BM区域的晶间腐蚀裂纹将成为疲劳开裂的主裂纹,导致疲劳开裂位置的改变。6005A-5083焊接接头的腐蚀损伤容限248μm,可作为该接头实际使用中检修和维护的评估依据。
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