基于搅拌摩擦修复的裂纹愈合机理及修复区疲劳断裂行为研究

Fracture of mechanical components and metal structures caused by cracks is the most dangerous and common failure mode. Friction stir crack repairing has unique advantages compared with existing methods, but the crack healing mechanism is still indefinited. Surface cracks and through cracks of 2A12 aluminium alloy will be friction stir repaired during which the variation of temperature distributions, thermoplastic material flow patterns and force fileds will be studied through experimnets and numerical simulations. Microscopic analysis, physical and molecular dynamics simulations will be introduced to study the evolution of microstructures, secondary phases, dislocations and crack shapes etc. Crack repairing efficiency will be quantitatively assessed based on the fatigue fracture theory, mathematical model of relationship between repairing parameters and fatigue lives of the repaired specimens will be built through statistical analysis. A corrected Paris model considering heat effect will be proposed as well. By repairing the crakcs using friction stir method, the strengthen of materials and structures will be expected at the same time.

由裂纹引起的机械零部件及金属结构的断裂，是工程中最危险、最常见的失效模式。与现有方法相比，搅拌摩擦裂纹修复具有独特的优势，但裂纹愈合机理尚不明确。课题针对2A12铝合金表面裂纹及贯穿裂纹实施搅拌摩擦修复，采用实验和数值模拟相结合研究不同修复工艺参数下温度场、热塑性材料流场和搅拌头与修复件间作用力的变化规律；立足于对裂纹愈合物理机制及机理的科学表述，借助显微分析、物理模拟与分子动力学仿真深入研究修复区微观组织、二次相、位错等在修复过程中的变化，追踪裂纹形态演变。基于疲劳断裂理论，定量分析裂纹修复效率，运用统计分析建立修复参数与修复件疲劳寿命的数学模型；考虑修复过程热影响，对裂纹扩展Paris模型进行修正，在修复裂纹的同时以期实现材料与结构性能的强化。

由裂纹引起的机械零部件及金属结构的断裂，是工程中最危险、最常见的失效模式。与现有方法相比，搅拌摩擦裂纹修复具有独特的优势，但裂纹愈合机理尚不明确。本课题针对含裂纹2A12铝合金实施搅拌摩擦修复，采用实验结合数值模拟的方法研究了修复工艺参数对温度场和热塑性材料流场的影响；立足于对裂纹愈合物理机制机理的科学表述，借助显微分析、物理模拟与分子动力学仿真研究了修复区微观组织、二次相等在修复过程中的变化及原子扩散规律。基于疲劳断裂理论，定量分析了裂纹修复效率和修复件疲劳寿命及其裂纹扩展行为。研究结果表明：修复过程强烈的热机耦合作用导致修复区不同部位的材料经历了不同的热和机械作用，最终形成非均匀修复组织，修复区可分为修复核心区、热机影响区和热影响区；裂纹周围材料随着修复过程的持续依次进入热影响区、热塑性金属流动区和动态再结晶区而形成良好的等轴再结晶修复区，而相应的裂纹附近材料依次经历晶粒的长大-变形-破碎-再结晶的连续过程，搅拌头的摩擦实现对材料的热塑化，旋转搅拌实现裂纹周围热塑化材料的碎化与裂纹缝隙填补，使修复界面处金属原子彼此达到金属键作用范围，从而能够实现金属键的重建，最终实现裂纹的修复；通过工艺实验得出2A12铝合金修复工艺区间为进给速度ν=70~110mm/min，主轴转速ω=700~1100r/min；修复件疲劳寿命达到裂纹件的10倍，热处理后修复件疲劳寿命可达母材的50%左右，而且裂纹置于修复区中央时修复效果最好；由于修复过程导致的表面弧纹处易产生应力集中，使得修复试样的裂纹萌生寿命较母材大幅缩短，而裂纹扩展速率由于修复过程对晶粒的细化作用较母材有所提升，是导致修复试样疲劳寿命较母材降低的主要原因。由于搅拌摩擦相关技术对铝合金的良好适应性，在大量采用铝合金材料的航空航天、船舶制造、汽车、轨道交通等领域的裂纹修复具有广阔的应用前景，从而能够以较低成本获得结构可靠性的提高。尤其在军用飞机快速修理中如能得到应用，有利于增强“战斗恢复力”，意义更为重大。