TA1钛合金压印接头疲劳失效机理研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:xiaoqingwa123456789
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随着现代科技的不断发展,各行各业对新型节能技术及低碳环保的要求越来越高,使得结构轻量化成为发展的主要方向。为满足结构轻量化发展的需要,研究、开发并应用新型轻质高强材料成为迄今最有效的途径。钛合金作为一种具有强度高、抗腐蚀性好以及耐高温等优点的新型材料,近年来在汽车工业、航天工业和国防工业中得到广泛应用,然而钛合金较差的焊接特性限制了其广阔的应用前景。近年来,压印连接技术获得了广泛的重视并迅速发展,逐渐被应用于汽车、航空航天和机械工业并渗透到家电等行业,研究压印接头的疲劳性能成为推广这一特殊结构必须解决的关键技术之一。因此,对于压印接头微动磨损机理的研究可以从本质上分析压印接头的疲劳失效机理,从而为提高压印接头机械性能奠定基础。综上可知,实现钛合金压印接头的有效连接并研究其疲劳性能和微动磨损机理,可以为其在航空和汽车等领域的推广应用提供较强的理论意义和应用价值。本文从研究钛合金板材的压印连接可行性出发,进而详细分析了压印接头的疲劳性能并对其微动失效机理进行了初步探讨。主要研究成果如下:(1)本文参考压印接头成形机理及压印连接过程的数学模型,以钛合金TA1为研究对象,通过接头横截面接头质量评价参数,实现了钛合金同种异种材料压印连接,得到了钛合金同种异种材料压印接头的连接工艺参数;(2)钛-钛压印接头的静强度和能量吸收能力均最大,保持了较好的接头承载能力和能量吸收能力。钛/镀锌钢接头其次,钛/铜接头的拉伸-剪切静力学性能均较小。(3)对钛/镀锌钢,钛/铜异种材料压印接头进行拉-拉疲劳实验,得到了钛合金异种材料压印接头的F-lgN曲线,其中钛-镀锌钢压印接头疲劳性能最好,钛合金/镀锌钢异种材料连接接头的疲劳寿命及强度整体优于钛合金/铜合金异种材料连接接头。通过对四种异种材料压印接头典型断口进行SEM分析可知,在压印接头疲劳过程中微动磨屑是出现裂纹的必要不充分条件。因此,在压印试件中可以通过减小板材的表面粗糙度来缓解微动磨损,或者可以采取镀层和涂油等方式尽量避免试件被氧化,从而延缓试件的磨损和断裂失效。(4)文中比较了钛合金压印接头、自冲铆接头和点焊接头的静力学性能和疲劳性能,结果显示点焊接头的拉伸-剪切承载强度最高,但疲劳性能极差。压印接头与自冲铆接头的拉伸-剪切强度接近,但压印接头在高疲劳载荷下的疲劳寿命比自冲铆接头更有优势。以2 10~6次为疲劳极限时,三种接头可承受疲劳载荷顺序由大到小分别是,压印接头最高,自冲铆接头其次,点焊接头最低。(5)本文定义了压印接头易出现的两种微动磨损区域:颈部微动磨损和环点板间微动磨损。结果显示,两种磨损所占比例呈反比,随着外加载荷的减小,颈部微动磨损角度越来越小,环点板间微动磨损角度越来越大。微动疲劳裂纹易出现在两种磨损较为严重的一方,当两种磨损情况相当时,疲劳裂纹易出现在两种磨损交界的地方。压印接头疲劳断裂位置随荷载水平的变化而变化。随着外加载荷的降低,颈部微动磨损比例降低,疲劳寿命增加。因此,在实际应用中,可以通过降低颈部微动磨损的比例,提高压印接头的疲劳寿命。(6)本文探索性的对钛合金同种材料压印接头进行退火处理,金相实验结果显示去应力退火使钛合金金相组织得到细化,降低了残余应力。另外,去应力退火使得钛合金压印接头的显微硬度稍有提高。拉伸-剪切实验结果显示退火处理后的钛合金压印接头承载能力稍微降低,但是能量吸收能力增大。疲劳实验获得退火处理前后钛合金压印接头的F-lgN曲线,结果显示在载荷较大时,退火处理后的接头的疲劳寿命较长,但是未处理接头的疲劳强度高于退火处理后的接头。总之,去应力退火可以提高钛合金压印接头的塑性、韧性,从而提高材料的变形能力和能量吸收能力,但是同时会使钛合金金属晶体的位错密度降低,降低钛合金压印接头的强度,也从一定程度上降低了接头的疲劳性能。因此实际应用中要综合考虑工作条件来决定是否需要对钛合金压印接头进行退火处理。
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