2024鋁合金攪拌摩擦焊焊縫區(qū)疲勞過程中的溫度演變

王昌盛，熊江濤，李京龍，李 鵬，張賦升，楊 俊

(1 西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 2 西北工業(yè)大學(xué) 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 3 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

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2024鋁合金攪拌摩擦焊焊縫區(qū)疲勞過程中的溫度演變

王昌盛1,2，熊江濤2，李京龍2，李 鵬2，張賦升2，楊 俊3

(1 西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 2 西北工業(yè)大學(xué) 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 3 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

在轉(zhuǎn)速300r/min、焊速60mm/min的參數(shù)下制備了8mm厚AA2024-O攪拌摩擦焊(FSW)接頭，對(duì)母材與FSW接頭進(jìn)行組織觀察及力學(xué)性能測(cè)試，并用紅外熱像儀記錄疲勞過程中試樣表面的溫度變化。結(jié)果表明：FSW接頭顯示出了高梯度的組織結(jié)構(gòu)不均勻性，具有較好的疲勞性能，前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)是其力學(xué)性能薄弱區(qū)；母材試樣在循環(huán)載荷的作用下表面溫度變化符合“三個(gè)階段”的明顯特征，而FSW接頭表面溫度在第一階段與第三階段的變化趨勢(shì)與母材相似，在第二階段呈下降趨勢(shì)，焊核區(qū)與熱力影響區(qū)晶粒通過不斷的循環(huán)軟化積累了大量的彈塑性應(yīng)變能，使機(jī)械能向熱能的轉(zhuǎn)化率降低。

攪拌摩擦焊；紅外熱像儀；疲勞性能；彈塑性應(yīng)變能

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)作為一種新型固態(tài)連接技術(shù)，具有焊接溫度低、接頭強(qiáng)度高、焊后接頭殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)SW作為關(guān)鍵核心技術(shù)正被大量應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身蒙皮、加筋板、機(jī)翼框架及地面甲板等結(jié)構(gòu)件的制造中[1-4]。疲勞斷裂是航空航天構(gòu)件失效的一種主要形式，這種斷裂往往無明顯征兆，其危害性和造成的損失極大。因此，航空航天領(lǐng)域FSW構(gòu)件的疲勞行為成為工程領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，探索一種高效低成本而又準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)新方法來獲取金屬的疲勞極限或疲勞壽命等疲勞性能的基本數(shù)據(jù)，具有重要的工程意義[5-8]。

疲勞是一個(gè)能量耗散的過程，在材料疲勞破壞過程中，絕大部分塑性功以熱能的形式釋放出來，熱量耗散是材料疲勞過程中的主要能量耗散形式，所以試樣疲勞點(diǎn)的溫度及其演變包含了疲勞過程中塑性應(yīng)變發(fā)展的重要信息[9,10]。

采用紅外熱像法研究材料疲勞過程中溫度的演變規(guī)律已有相關(guān)報(bào)道。Risitano等[11]，Luong等[12]，Wagner 等[13]分別利用紅外熱像法得到了材料疲勞過程中的溫升變化曲線，結(jié)果表明，材料疲勞過程中的溫度變化可以分為三個(gè)特征明顯的階段，即第一階段——初始溫升階段、第二階段——溫度穩(wěn)定階段、第三階段——溫度快速升高階段； Zhang等[14]利用紅外熱像法研究了10mm厚AZ31B鎂合金熔焊接頭疲勞過程的溫度變化，發(fā)現(xiàn)其溫升曲線的第一階段與第三階段呈上升趨勢(shì)，但第二階段溫升值下降并逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，并指出彈性滯后引起的熱彈性效應(yīng)滯后是第二階段溫升下降的主要原因；姚磊江等[15]同時(shí)使用紅外熱成像儀與遠(yuǎn)距離高倍顯微鏡對(duì)純銅疲勞過程中的熱耗散和顯微結(jié)構(gòu)演化的相關(guān)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明紅外熱像法能清晰地反映塑性應(yīng)變集中區(qū)域裂紋萌生和擴(kuò)展等過程，與表面形貌的顯微圖像具有一致性。

但以往的紅外熱成像技術(shù)研究疲勞性能主要集中于疲勞過程的溫升曲線變化趨勢(shì)以及變化機(jī)理分析，沒有將其與材料的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來。組織結(jié)構(gòu)不均勻的熔焊接頭疲勞過程的溫升曲線與均勻材料相比顯示出了明顯的不一致性[14]。本工作針對(duì)2024-O鋁合金的母材及優(yōu)化參數(shù)后的無缺陷FSW焊縫，通過紅外熱成像技術(shù)研究其疲勞實(shí)驗(yàn)過程中的溫度演變規(guī)律，對(duì)比揭示FSW焊縫區(qū)的組織結(jié)構(gòu)不均勻性對(duì)其疲勞過程中熱耗散的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)選用8mm厚的2024-O鋁合金板材制備焊接接頭，其名義化學(xué)成分如表1所示，為了獲得無缺陷的FSW接頭，實(shí)驗(yàn)采用攪拌摩擦加工代替平板對(duì)接FSW過程，在攪拌摩擦焊機(jī)(賽福斯特FSW-RL31-010型)上進(jìn)行焊接接頭制備。攪拌頭軸肩直徑為18mm，攪拌針為根部直徑5mm的錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，上面加工有右旋螺紋。選擇優(yōu)化后的焊接參數(shù)：攪拌頭轉(zhuǎn)速300r/min，焊接速率60mm/min。母材試樣和焊后試樣經(jīng)剖切、打磨、拋光、Keller試劑(HF ∶HCl ∶HNO3∶H2O=1 ∶1.5 ∶2.5 ∶95)腐蝕15s后，采用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織形貌。將母材和接頭制備成拉伸試樣，為了使拉伸斷裂發(fā)生在焊縫區(qū)以得到準(zhǔn)確的接頭力學(xué)性能參數(shù)，采用圓弧標(biāo)距的拉伸試樣，其尺寸如圖1所示，在INSTRON 3382拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

表1 2024-O鋁合金名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 The sample dimension for tensile test

圖2 疲勞試樣尺寸Fig.2 The sample dimension for fatigue test

室溫疲勞實(shí)驗(yàn)在INSTRON 8802疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用帶雙圓弧缺口的疲勞試樣以確保疲勞斷裂發(fā)生在焊縫處，其尺寸如圖2所示，此時(shí)疲勞試樣的應(yīng)力集中段較短，溫度變化區(qū)域集中。將疲勞試樣表面用細(xì)砂紙打磨至光亮，然后超聲波清洗。為了提高鋁合金表面的輻射率，在疲勞試樣待觀測(cè)的側(cè)面噴上一層均勻的黑漆(輻射率0.9)。疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)載荷加載頻率為20Hz，以正弦波方式加載，應(yīng)力比為-1，試樣夾持端用玻璃絨隔熱。采用VarioCAM?hr head-HS紅外熱像儀(精度為0.1℃)記錄疲勞過程中試件表面的溫度變化，采樣速率為12.5幀/s，拍攝溫度范圍取為0～300℃，紅外熱像儀距離試樣50cm處放置，側(cè)面拍攝。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 The fatigue testing system

2 結(jié)果與討論

2.1 組織形貌觀察與力學(xué)性能測(cè)試

2024-O鋁合金母材為軋制狀態(tài)，微觀形貌為沿軋制方向的板條狀組織，如圖4所示，基體晶粒取向性一致，結(jié)構(gòu)均勻。在實(shí)驗(yàn)所選取的焊接參數(shù)下制備的FSW焊縫微觀形貌如圖5所示，其中整體形貌如圖5(a)所示，接頭的熱影響區(qū)(Heat Affected Zone,HAZ)、熱力影響區(qū)(Thermal Mechanical Affected Zone, TMAZ)、焊核區(qū)(Weld Nugget Zone, NZ)微觀形貌分別如圖5(b)，(c)，(d)所示，焊核區(qū)為細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織，熱力影響區(qū)的組織發(fā)生了較大程度的扭曲變形，晶粒沿著焊核呈流線型分布，其中前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)如圖5(c)所示，晶粒出現(xiàn)了不同程度的長(zhǎng)大，與焊核區(qū)的組織過渡出現(xiàn)突變，后退側(cè)熱力影響區(qū)與焊核區(qū)的組織過渡較為平緩。熱影響區(qū)的晶粒與母材相比，取向性不再明顯，晶粒尺度與母材相似?？梢钥闯觯現(xiàn)SW焊縫區(qū)顯示出了高梯度的組織結(jié)構(gòu)不均勻性。

圖4 2024-O鋁合金母材組織形貌Fig.4 Microstructure of parent material 2024-O aluminum alloy

圖5 FSW焊縫區(qū)組織形貌 (a)整體形貌；(b)熱影響區(qū)；(c)熱力影響區(qū)；(d)焊核區(qū)Fig.5 Microstructure of the FSW weld showing the whole morphology(a), heat affected zone(b), thermal mechanical affected zone(c) and weld nugget zone(d)

為了得到母材和FSW焊縫區(qū)的拉伸性能參數(shù)以確定疲勞加載的應(yīng)力水平，分別取母材和FSW接頭的三組試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的各組試樣的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σ0.2如表2所示。可以看出，在實(shí)驗(yàn)所選取的焊接參數(shù)下，F(xiàn)SW焊縫區(qū)的抗拉強(qiáng)度超過了母材。拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，三組FSW接頭試樣均在前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)斷裂，因?yàn)樵谇斑M(jìn)側(cè)，塑性體之間的速度梯度比較大，組織過渡出現(xiàn)突變，在焊核區(qū)與前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)之間往往形成力學(xué)性能的薄弱區(qū)。

表2 2024-O鋁合金母材與FSW焊縫拉伸性能

2.2 疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)母材和FSW接頭的疲勞試樣分別在不同的應(yīng)力水平下進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)。為了獲得疲勞壽命在103～105周次時(shí)母材和FSW焊縫區(qū)疲勞過程的溫升變化曲線并能夠進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)調(diào)整，對(duì)于母材試樣，分別選取0.64σb0，0.57σb0，0.52σb0，0.5σb0四個(gè)應(yīng)力水平；對(duì)于FSW接頭試樣，分別選取0.75σb1，0.7σb1，0.68σb1，0.66σb1，0.65σb1，0.6σb1六個(gè)應(yīng)力水平(其中σb0為母材的平均抗拉強(qiáng)度，σb1為FSW焊縫的平均抗拉強(qiáng)度)，在相同的加載頻率與應(yīng)力比下進(jìn)行疲勞測(cè)試，采用紅外熱成像儀獲取疲勞過程中試樣表面的溫度。疲勞測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看出，F(xiàn)SW焊縫的疲勞壽命曲線位于母材的疲勞壽命曲線上方，在加載應(yīng)力為139.3MPa時(shí)，F(xiàn)SW接頭的疲勞壽命為72768周次，為母材疲勞壽命值(4675周次)的1550%，即實(shí)驗(yàn)所制備的FSW焊縫疲勞性能優(yōu)于母材。

圖6 母材和FSW焊縫區(qū)疲勞壽命與加載應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.6 Correlation curves between fatigue life and stress of the parent material and the FSW welds

經(jīng)過退火處理的2024-O鋁合金中夾雜物呈彌散分布，夾雜物使滑移均勻分布，同時(shí)彌散的夾雜物也使其與基體界面易于脫開，加速了疲勞裂紋擴(kuò)展，在裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)，空穴也易在彌散相周圍產(chǎn)生，空穴的連接導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，所以其疲勞裂紋擴(kuò)展速率高[16]，而FSW焊縫區(qū)由于經(jīng)過固溶溶解，其夾雜物較少，因此疲勞裂紋擴(kuò)展速率慢，疲勞性能較好。

圖7顯示了部分母材和FSW接頭的疲勞試樣斷裂后的形貌，矩形框內(nèi)為疲勞斷裂發(fā)生的位置。可以看出，母材的疲勞斷裂均發(fā)生在圓弧缺口的底部，因?yàn)閷?duì)于組織結(jié)構(gòu)均勻的母材試樣來說，缺口底部寬度最窄，是加載過程中的應(yīng)力集中區(qū)。然而，F(xiàn)SW焊縫的疲勞斷裂均發(fā)生在前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)，與拉伸斷裂的位置一致。結(jié)合圖5中對(duì)前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)微觀組織的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在前進(jìn)側(cè)接近焊核附近的區(qū)域，被拉長(zhǎng)的晶粒沿著焊核呈流線型分布，晶粒尺寸與焊核區(qū)相比相差較大，晶粒沿界面方向被拉長(zhǎng)，整個(gè)區(qū)域呈放射型的條狀組織，表明該區(qū)域的金屬在焊接過程中受到了較大的拉伸變形[17]，又由于前進(jìn)側(cè)晶粒方向與加載應(yīng)力方向幾乎垂直，當(dāng)試樣承受軸向交變載荷時(shí)，裂紋向阻力最小的方向擴(kuò)展，所以該區(qū)相比于接頭其他區(qū)域最容易發(fā)生破壞。

圖7 部分試樣疲勞斷裂后的實(shí)物圖 (a)母材；(b)FSW接頭Fig.7 Images of the fractured fatigue samples (a)the parent material;(b)the FSW welds

2.3 疲勞過程中的溫度演變及分析

使用紅外熱成像技術(shù)分別采集了母材試樣和FSW焊縫區(qū)在疲勞加載過程中的溫度演變數(shù)據(jù)，將每個(gè)循環(huán)周次下試件表面最高溫度與環(huán)境最高溫度的差值作為溫升ΔT，當(dāng)疲勞壽命較短時(shí)(循環(huán)次數(shù)為3×103～5×103周次)，母材和FSW焊縫區(qū)疲勞過程中的溫升變化及部分特殊點(diǎn)的紅外熱像圖如圖8所示。由圖8(a)可以看出，母材試樣在循環(huán)載荷的作用下表面溫度變化符合“三個(gè)階段”[11-13]的明顯特征，即第一階段循環(huán)初期溫度快速升高、第二階段循環(huán)穩(wěn)定表面溫度平穩(wěn)變化、第三階段宏觀裂紋擴(kuò)展開始溫度急劇上升。第一階段因?yàn)樵嚇雍铜h(huán)境的溫差較小，對(duì)流過程中的熱量損失較少，大部分熱量耗散用于提高試樣的溫度，試樣表面溫度上升較快直至溫度穩(wěn)定；第二階段由于試件的熱量耗散與試件和環(huán)境的熱量交換大致相當(dāng)，因此溫度相對(duì)穩(wěn)定；到了第三階段試件中宏觀裂紋開始擴(kuò)展，由于裂紋尖端的能量快速釋放，導(dǎo)致溫度迅速上升，直至發(fā)生破壞。圖8(b)顯示出在循環(huán)載荷作用下FSW焊縫區(qū)表面的溫度演變，表面溫升在第一階段與第三階段的變化趨勢(shì)與母材相似，而在第二階段呈下降的趨勢(shì)，且第一階段與第二階段之間有峰值出現(xiàn)，與熔焊接頭疲勞過程的溫升變化相似[14]。圖9為疲勞壽命在1×104～2×104周次時(shí)母材和FSW焊縫區(qū)疲勞過程中的溫升變化及部分特殊點(diǎn)的紅外熱像圖，可以看出，加載應(yīng)力較小時(shí)，F(xiàn)SW焊縫區(qū)表面的溫度變化顯示出了同樣的規(guī)律。

圖8 疲勞壽命在3×103～5×103周次時(shí)，試樣溫升值與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線 (a) 母材;(b)FSW焊縫Fig.8 The relationship curves between temperature increment and cycles under Nf = 3×103-5×103 cycles(a)the parent material;(b)the FSW welds

圖9 疲勞壽命在1×104～2×104周次時(shí)，試樣溫升值與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線 (a)母材;(b)FSW焊縫Fig.9 The relationship curves between temperature increment and cycles under Nf = 1×104-2×104 cycles (a)the parent material;(b)the FSW welds

在一定的應(yīng)力水平下，取加載開始時(shí)載荷循環(huán)1000次試件表面的最高溫度T1、斷裂前1000次載荷循環(huán)中的最低溫度T2，將T2與T1的差值作為該疲勞載荷下第二階段總的溫升值ΔT0，各組疲勞試樣第二階段的溫度變化情況如圖10所示，可以看出，對(duì)于母材，不同的疲勞壽命時(shí)第二階段的溫度變化值都接近于0，可以認(rèn)為母材第二階段的溫度穩(wěn)定，這一現(xiàn)象說明，疲勞加載過程中不斷輸入的機(jī)械能通過對(duì)試樣塑性應(yīng)變做功穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為熱能耗散出來；對(duì)于FSW焊縫區(qū)，不同的疲勞壽命時(shí)第二階段溫度的變化值均為負(fù)值，在實(shí)驗(yàn)選取的應(yīng)力水平下，F(xiàn)SW焊縫區(qū)第二階段表面溫度變化值為-5～-3℃。由圖8(b)與圖9(b)可以看出，溫度的下降是一個(gè)緩慢的過程且在第二階段結(jié)束時(shí)存在一個(gè)最低點(diǎn)，這說明對(duì)于具有高梯度不均勻結(jié)構(gòu)的FSW焊縫來說，第一階段之后，疲勞加載輸入的機(jī)械能與熱能的轉(zhuǎn)化率開始降低，由于FSW焊縫具有高梯度不均勻的組織結(jié)構(gòu)，焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的晶粒通過不斷的循環(huán)軟化積累了大量的彈塑性應(yīng)變能，材料本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨著能量積累的過程不斷降低，到第三階段開始時(shí)，宏觀疲勞裂紋形成并擴(kuò)展，由于經(jīng)過固溶溶解的FSW焊縫區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率慢，因而此時(shí)熱能的釋放是一個(gè)更加緩慢連續(xù)的過程，由圖8和圖9都可以看出，F(xiàn)SW焊縫區(qū)疲勞過程中溫度變化的第三階段所經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)相比于母材更大。

圖10 試件疲勞過程中第二階段的溫度變化值Fig.10 The values of temperature change on the specimens of the second stage during fatigue failure

因?yàn)榈谌A段是宏觀裂紋開始擴(kuò)展直至斷裂的階段，一般這個(gè)階段的循環(huán)次數(shù)只占整個(gè)疲勞壽命的很小一部分，為了降低損失和危害性，當(dāng)監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)件中宏觀疲勞裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，即可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)件已經(jīng)失效。隨著先進(jìn)的測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，未來有希望通過疲勞過程中結(jié)構(gòu)件表面的溫度監(jiān)測(cè)來確定疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展時(shí)間，即要準(zhǔn)確捕捉第三階段的開始時(shí)間，因?yàn)镕SW焊縫較之于母材，其第三階段循環(huán)次數(shù)更多且溫度緩慢升高的過程更長(zhǎng)，所以更加適于將來通過構(gòu)件表面溫度的無損檢測(cè)來確保其在疲勞加載環(huán)境下工作的安全性。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于8mm厚的2024-O鋁合金，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為300r/min、焊接速率為60mm/min時(shí)，得到的FSW焊縫區(qū)抗拉強(qiáng)度為232.2MPa，高于母材，F(xiàn)SW焊縫顯示出了高梯度的組織結(jié)構(gòu)不均勻性，前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)是其力學(xué)性能薄弱區(qū)。

(2)實(shí)驗(yàn)所選參數(shù)下制備的FSW接頭焊縫顯示出了較好的疲勞性能，由于前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)內(nèi)變形的晶粒方向與加載應(yīng)力方向幾乎垂直，裂紋擴(kuò)展阻力小，因而疲勞斷裂均發(fā)生在其前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)。

(3)母材試樣在循環(huán)載荷的作用下表面溫度變化符合“三個(gè)階段”的明顯特征，而FSW焊縫區(qū)表面溫度在第一階段與第三階段的變化趨勢(shì)與母材相似，在第二階段呈下降的趨勢(shì)，焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的晶粒通過不斷的循環(huán)軟化積累了大量的彈塑性應(yīng)變能，使疲勞加載輸入的機(jī)械能向熱能的轉(zhuǎn)化率降低。

[1] MISHRA R S, MA Z Y. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering: R, 2005, 50(1): 1-78.

[2] 董鵬, 孫大千, 李洪梅, 等. 6005A-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能特征[J]. 材料工程, 2012, (4): 27-31.

DONG Peng, SUN Da-qian, LI Hong-mei, et al. Microstructural and mechanical characteristics of friction stir welded 6005A-T6 aluminum alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2012, (4): 27-31.

[3] LOMOLINO S, TOVO R, SANTOS J D. On the fatigue behaviour and design curves of friction stir butt-welded Al alloys[J]. International Journal of Fatigue, 2005, 27(3): 305-316.

[4] 趙陽陽, 李敬勇, 李興學(xué). 攪拌頭材質(zhì)對(duì)攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2014, 34(2): 35-39.

ZHAO Yang-yang, LI Jing-yong, LI Xing-xue. Influence of stirring tool material on temperature fields of friction stir welding[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34(2): 35-39.

[5] 周才智, 楊新岐, 欒國(guó)紅. 攪拌摩擦焊接頭疲勞行為研究現(xiàn)狀[J]. 稀有金屬材料與工程, 2006, 35(7): 1172-1176.

ZHOU Cai-zhi, YANG Xin-qi, LUAN Guo-hong. Research progress on the fatigue behavior of friction welded joints[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(7): 1172-1176.

[6] 楊新岐, 崔雷, 徐效東, 等. 鋁合金 6061-T6 攪拌摩擦焊搭接焊縫缺陷及疲勞性能[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2013, 33(6): 38-44.

YANG Xin-qi, CUI Lei, XU Xiao-dong, et al. Weld defects and fatigue properties of friction stir overlap joints for 6061-T6 aluminum alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2013, 33(6): 38-44.

[7] ZHOU C Z, YANG X Q, LUAN G H. Fatigue properties of friction stir welds in Al 5083 alloy[J]. Scripta Materialia, 2005, 53(10): 1187-1191.

[8] 王希靖, 徐成, 張杰, 等. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) BP 算法的 7075-T651 鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 34(3): 12-15.

WANG Xi-jing, XU Cheng, ZHANG Jie, et al. Fatigue life prediction of friction-stir welding joints of aluminum alloy 7070-T651 based on BP algorithm of neural network[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2008, 34(3): 12-15.

[9] ZHANG L, LIU X S, WU S H, et al. Rapid determination of fatigue life based on temperature evolution[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 54: 1-6.

[10] LUONG M P. Fatigue limit evaluation of metals using an infrared thermographic technique[J]. Mechanics of Materials, 1998, 28(1): 155-163.

[11] La ROSA G, RISITANO A. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components[J]. International Journal of Fatigue, 2000, 22(1): 65-73.

[12] LUONG M P. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals[J]. Nuclear Engineering and Design, 1995, 158(2-3): 363-376.

[13] WAGNER D, RANC N, BATHIAS C, et al. Fatigue crack initiation detection by an infrared thermography method[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2010, 33(1): 12-21.

[14] ZHANG H X, WU G H, YAN Z F, et al. An experimental analysis of fatigue behavior of AZ31B magnesium alloy welded joint based on infrared thermography[J]. Materials & Design, 2014, 55: 785-791.

[15] 姚磊江, 李斌, 童小燕. 疲勞過程熱耗散與表面微觀結(jié)構(gòu)演化相關(guān)性的試驗(yàn)研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 26(2): 225-228.

YAO Lei-jiang, LI Bin, TONG Xiao-yan. Experimental study of the correlation between energy dissipation and surface microstructure evolution during fatigue[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2008, 26(2): 225-228.

[16] 德珂. 位錯(cuò)與材料強(qiáng)度[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1988. [17] 王希靖, 阿榮, 郭瑞杰, 等. LF2鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織與性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(10): 1705-1710.

WANG Xi-jing, A Rong, GUO Rui-jie, et al. Microstructures and properties of friction stir welding joints for LF2 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(10): 1705-1710.

Temperature Evolution in Fatigue Test of 2024 Aluminum Alloy Weld Fabricated by Friction Stir Welding

WANG Chang-sheng1,2，XIONG Jiang-tao2，LI Jing-long2， LI Peng2，ZHANG Fu-sheng2，YANG Jun3

(1 State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China; 2 Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technology, Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China; 3 Chinese Aircraft Strength Research Institute,Xi’an 710065,China)

The weld joints were fabricated by friction stir welding (FSW) on 8mm thick 2024-O aluminum alloy with a rotating speed of 300r/min and a welding speed of 60mm/min. The microstructure and mechanical properties of parent material and weld joints were investigated. The fatigue tests were conducted on both parent metal and weld joint, during which the surface temperatures were recorded by an infrared thermal imager. The results show that the welds exhibit high gradient inhomogeneity in microstructure, and have good fatigue properties. The thermal mechanical affected zone (TMAZ) in advancing side is the weak area as examined by the tensile tests. The temperature change of the specimen surface of the parent material meets the characteristic of “three stages”. Surface temperature variation tendency of the FSW welds is the same with that of the parent material in the first stage and the third stage, but has a downward trend in the second stage. The grains of the weld nugget zone and TMAZ accumulate lots of elastic and plastic strain energy through cyclic softening in the second stage that depress the conversion rate of mechanical energy to thermal energy.

friction stir welding;thermal infrared imager;fatigue property;elastic and plastic strain energy

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.009

TG402

A

1001-4381(2015)09-0053-07

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2012HBSZS021)；西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(Grant JC20120224)

2014-05-23；

2015-03-25

李京龍(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事焊接和熱噴涂領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作，聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)友誼西路127號(hào)西北工業(yè)大學(xué)公字樓403室(710072)，E-mail:lijinglg@nwpu.edu.cn