基于热循环塑性累积的铝合金焊接接头特征区不可逆形变的基础研究

在热循环与外载联合作用下的铝合金焊接接头，即使在外载远小于其屈服极限的情况下，也会因微区组成相物理力学性能的差异而导致接头累积的不可逆变形，而且这种变形行为在焊接热影响区中表现得更为显著。热失配应力与外载叠加在一起，诱发接头内部的局部塑性累积是造成这一不可逆形变的内在机理；另一方面在热循环条件下接头内部细观孔洞的形成与演化也是影响其宏观形变规律，造成力学性能退化的重要因素。本申请项目从分析细观机理入手，构造细观胞元模型，引入热应力应变场，推求细观屈服面方程以及表征热循环诱发局部塑性累积的控制方程，并以相界面循环滞回能作为控制接头内部细观孔洞形核的变量，建立热循环辅助孔洞形核方程，揭示热循环及外载联合作用下铝合金熔焊接头的累积不可逆形变与中长期损伤演化规律。研究成果有助于丰富和发展极端条件下焊接接头的形变与损伤理论，亦对热循环环境中焊接结构的设计与服役性能评估有所裨益。

围绕承载铝合金焊接接头在热循环条件下的损伤失效行为、形变机制等基础问题进行了系统研究，从细微观内在损伤机理－局部细观不可逆形变行为－宏观焊接热、力场、变形的计算三个方面展开研究，取得了一些具有创新性的研究成果。. 首次从实验角度定性给出了铝合金焊接结构在模拟空天热循环环境下性能劣化的内在损伤机制。实验结果表明：铝合金焊接接头中存在的第二相粒子虽不会明显地影响接头的常规力学行为，但是在承载热循环条件下，第二相粒子与基体铝合金由于其热膨胀系数的较大差异，引发较为明显的局部塑性累积现象，而这种细观上的塑性累积体现在宏观上，即使在外部载远小于接头试样的屈服极限的条件下，经过一定时间的热循环作用后，接头试样普遍存在着一个宏观力学性能逐步劣化的现象。长时间的热循环会导致接头内部第二相粒子与基体材料脱开，进而形成微孔洞，微孔洞在应力场的作用下不断形成与演化是造成材料微损伤与宏观性能劣化的内在因素。. 通过解析推导定量给出了恒温条件下、单纯热循环条件下以及热循环与外载联合作用下，含球形刚性夹杂体细观应力场计算方法与计算公式，首次提出了基于“界面循环滞回能”控制的热应力辅助孔洞形核方程。与Gurson细观损伤力学模型相结合，可用来预测构件在热循环与外载联合作用下其承载能力劣化以及宏观的不可逆形变。此外，为了将所建立的损伤演化模型应用于实际焊接结构设计，我们还对宏观焊接温度场、焊接宏观变形的快速计算以及喷丸处理后接头表面塑性应变率等相关内容进行了研究。. 三年来，共完成论文5篇（其中SCI检索2篇，EI检索3篇），软件著作权登记1项。参加2013年6月在芬兰Oulu举办的“第七届材料与热加工物理模拟与数值模拟国际会议（ICPNS’13）”，针对“热循环辅助诱发孔洞形核”最新研究成果，在大会上做了口头报告。