基于红外温度场特征的镁合金焊接接头疲劳断裂行为与评定理论研究

基于轻质高强和资源优势，镁合金成为"陆海空天"交通运载装备的重要结构材料，但其焊接接头的安全性能又成为制约镁合金广泛应用的瓶颈。本项目将红外热成像技术引入镁合金焊接接头疲劳性能研究过程中，依据其红外温度场特征信息，预测疲劳裂纹的萌生点、焊接接头的疲劳极限、裂纹扩展速率和疲劳寿命。研究疲劳裂纹萌生与扩展全过程的裂纹尖端温度变化规律，探索启裂点材料微观结构变化、材料损伤、裂纹萌生机理；阐明微观产热机制及其影响因素（组织状态、应力应变、载荷频率等）和规律；寻找材料性质、接头形式、载荷大小、应力状态、微观缺陷等与表观温度变化的本构关系，建立以温度表征方式的焊接接头疲劳断裂行为和评定方法，进一步探讨红外热成像对在役焊接结构进行危险点确定和安全评价体系。研究成果有助于揭示断裂行为与温度效应关系的基础理论，对镁合金焊接结构的合理设计、制造、安全使用和寿命预测具有较大科学意义和应用价值。

本项目已经按照原项目任务书制定的工作计划完成了研究内容。.基于红外热像法，对高周疲劳载荷作用下的AZ31B镁合金及其焊接接头的温度演化规律进行了探讨，以温度为参量，对镁合金及其焊接接头的疲劳性能进行了表征，对其疲劳极限和疲劳寿命进行了预测。.镁合金高周疲劳试验结果表明，镁合金的高周疲劳失效是一个损伤累积的过程，疲劳载荷作用过程中伴随着能量的变化；循环应变能主要转化为热量，并以温度的形式表现出来。镁合金在高于疲劳极限加载时，材料表面温度演变可分为5个阶段；镁合金在低于疲劳极限加载时，温度在初始温度范围内变化。.研究了织构对镁合金变形能力及其对温度变化的影响，不同加工方向的镁合金试件表面温度变化表现出差异验证了塑性变形是温度变化的主要原因。探究了疲劳过程中镁合金的位错演变情况，结果显示位错演变情况与其所导致的镁合金加工硬化，进而造成温度演变的变化有着良好的对应关系。.采用ABAQUS有限元软件基于塑性损伤模型与热力耦合单元对镁合金疲劳产热过程进行了模拟，温度演化曲线与试验测量结果相符，验证了本项目的塑性产热理论的正确性。.利用红外热像法对AZ31B镁合金的疲劳极限和疲劳寿命进行了预测。采用温度突变法预测了镁合金的疲劳极限，利用临界能量法预测轴向疲劳以及三点弯曲疲劳镁合金的疲劳寿命；采用红外热像法测试了镁合金的断裂韧度值，结果与传统试验方法结果吻合。.镁合金疲劳裂纹扩展过程中的温度演变结果表明，随着疲劳裂纹扩展速率增加，尖端温度变化经历初始缓慢升温与快速升温的过程；当应力与裂纹长度已知时，利用单位裂纹扩展时尖端温度变化，可以对裂纹尖端塑性区进行计算，结果与红外热像图测定的结果相一致。.基于热弹性效应，分析了镁合金拉伸载荷作用下应力与试件表面温度变化的关系。根据温度线性变化拐点所对应的应力，可以得到材料的弹性极限，并对不同结构试样应力集中系数进行测定。