CN106501105A - 一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，对接头各区域截取微小试件，数据处理得到静载力学性能和循环载荷下的疲劳参数；对每个区域截取的微小试件依次进行磨削、抛光与电解；采用混合公式，结合接头各区的循环应力应变曲线，得到各区域夹杂的循环应力应变曲线；把不同的取向属性赋予代表性体积单元中的每个晶粒，建立搅拌摩擦焊接头微结构梯度模型，宏观模型的材料采用非线性运动硬化模型；对模型施加疲劳载荷。观察接头各区应力应变分布情况，重点分析代表性体积单元中多晶粒晶界处、不同取向的晶粒、夹杂附近的应力应变分布情况，以较为明显的局部应力集中区域和应变较大区域为疲劳薄弱区域。

Description

一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱 区域的确定方法
技术领域
本发明涉及微结构的搅拌摩擦焊接头的疲劳载荷下薄弱区域特征确定方法，特指考虑夹杂和晶体取向的焊接接头疲劳载荷下薄弱区域特征确定方法。
背景技术
从微观角度看材料是非均匀、各向异性的，晶粒的形态和晶体学取向会影响材料的力学性能。材料在疲劳载荷下，裂纹常常是从夹杂处或者晶界处萌生，然后扩展为宏观裂纹。研究表明材料的微观结构对疲劳微裂纹的萌生和扩展有重要影响。晶体塑性有限元是将晶体塑性力学本构关系与有限元方法相结合，从微观尺度出发模拟金属的塑性变形过程。
在搅拌摩擦焊接头中存在微观组织结构不同的区域，本发明的方法是考虑接头各区域晶体取向、晶界的作用及夹杂的影响，实现基于微结构的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域界定，较好地预测接头疲劳裂纹萌生部位，准确地分析局部微观结构的受力情况。
发明内容
本发明的目的在于能够考虑焊接接头中的夹杂和晶体取向在疲劳损伤过程中的影响，准确地反映焊接接头在疲劳载荷下的薄弱区域特征。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，该方法的实施流程如下，步骤1)对接头各区域截取微小试件，并对微小试件进行微拉伸实验和疲劳试验，数据处理得到静载力学性能和循环载荷下的疲劳参数；步骤2)对每个区域截取的微小试件依次进行磨削、抛光与电解，用电子背散射衍射(EBSD)技术观察接头各区域的晶体特征，结合金相图片观察夹杂特征，统计出各区域的晶粒平均尺寸、晶体取向分布及夹杂平均尺寸及分布位置情况；步骤3)对各区域夹杂和基体相进行纳米压痕实验测试其弹性模量和硬度，采用混合公式，结合接头各区的循环应力应变曲线，得到各区域夹杂的循环应力应变曲线；步骤4)选定足够表达晶体特征的一个尺寸，统计出这一尺寸下各个区域所包含的夹杂、晶粒个数及晶体取向分布；步骤5)根据接头各个区域的晶体形态和数量利用MATLAB软件生成不同大小、不同数量的voronoi多边形，将图形导入ABAQUS生成代表性体积单元，并参照金相图对代表性体积单元加入夹杂，接头的每个区域都生成相应的代表性体积单元，把晶体塑性本构关系赋予代表性体积单元的基体晶粒，其中的夹杂属性采用非线性运动硬化模型；步骤6)利用MATLAB生成随机晶体取向结合Python脚本语言创建材料库，把不同的取向属性赋予代表性体积单元中的每个晶粒，按比例为晶粒赋予特定织构的取向，其余晶粒赋予随机取向；步骤7)综合硬度和金相微观组织分区建立宏观模型，其形状和尺寸是疲劳试件的有效部分，在接头每个区域插入上述建立的代表性体积单元，建立搅拌摩擦焊接头微结构梯度模型，宏观模型的材料采用非线性运动硬化模型；步骤8)对模型施加疲劳载荷，根据接头各区的应力应变分布判定性能薄弱区域。观察接头各区应力应变分布情况，重点分析代表性体积单元中多晶粒晶界处、不同取向的晶粒、夹杂附近的应力应变分布情况，以较为明显的局部应力集中区域和应变较大区域为疲劳薄弱区域。
本发明所建方法考虑了焊接接头中各区域的微观结构即夹杂和晶体取向等微观特征对焊接接头的力学性能的影响，能够更准确的判断出接头疲劳薄弱区域并更精确地计算局部应力或应变数值，能够更真实的反映早期疲劳损伤过程，便于更准确的进行疲劳寿命预测，有效预防疲劳断裂的发生。
附图说明
图1为一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法流程示意图。
图2为微小试件形状及尺寸。
图3为接头热影响区的EBSD图。
图4为接头模型示意图。
图5为薄弱区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法作进一步的描述，如图1所示一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，其步骤为：
步骤1)对接头焊核区、热机影响区、热影响区及母材各区域截取微小试件，试件厚度1mm，如图2，并对微小试件进行微拉伸实验和疲劳试验，数据处理得到静载力学性能和循环载荷下的疲劳参数；步骤2)对每个区域截取的微小试件依次进行磨削、抛光与电解，用电子背散射衍射(EBSD)技术观察接头各个区域的晶体特征，图3为接头热影响区的EBSD图，结合金相图片观察夹杂特征，统计出各区域的晶粒平均尺寸、晶体取向分布及夹杂平均尺寸及分布位置情况；步骤3)对各区域夹杂和基体相进行纳米压痕实验测试其弹性模量和硬度，采用混合公式，结合接头各区的循环应力应变曲线，得到各区域夹杂的循环应力应变曲线；步骤4)选定足够表达晶体特征的一个尺寸，统计出这一尺寸下各个区域所包含的夹杂、晶粒个数及晶体取向分布；步骤5)根据接头各区域的晶体形态和数量利用MATLAB软件生成不同大小、不同数量的voronoi多边形，经过CAD软件对voronoi多边形进行修正后再将图形导入ABAQUS生成代表性体积单元，并参照金相图对代表性体积单元加入夹杂，接头的每个区域都生成相应的代表性体积单元，如图4中的局部放大图为热影响区域的voronoi多边形，其中红色多边形为夹杂，通过子程序UMAT把晶体塑性本构关系赋予代表性体积单元的基体晶粒，夹杂属性采用非线性运动硬化模型；步骤6)利用MATLAB生成随机晶体取向结合Python脚本语言创建材料库，把不同的取向属性赋予代表性体积单元中的每个晶粒，按比例为晶粒赋予特定织构的取向，其余晶粒赋予随机取向；步骤7)综合硬度和金相微观组织分区建立宏观模型，其形状和尺寸是疲劳试件的有效部分，在接头每个区域插入上述建立的代表性体积单元，建立搅拌摩擦焊接头微结构梯度模型，宏观模型的材料采用非线性运动硬化模型，模型示意如图4；步骤8)对模型施加疲劳载荷，根据接头各区的应力应变分布判定性能薄弱区域。观察接头各区应力应变分布情况，重点分析代表性体积单元中多晶粒晶界处、不同取向的晶粒、夹杂附近的应力应变分布情况，以较为明显的局部应力集中区域和应变较大区域为疲劳薄弱区域。图5为模型中微结构薄弱区域示意图，薄弱区域为靠近夹杂的四晶界交界处。

Claims (4)

1.一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，其步骤为：
A)对接头焊核区、热机影响区、热影响区及母材各区域截取微小试件，并对微小试件进行微拉伸实验和疲劳试验，数据处理得到静载力学性能和循环载荷下的疲劳参数；
B)对每个区域截取的微小试件依次进行磨削、抛光与电解，用电子背散射衍射(EBSD)技术观察接头各个区域的晶体特征，结合金相图片观察夹杂特征，统计出各区域的晶粒平均尺寸、晶体取向分布及夹杂平均尺寸及分布位置情况；
C)对各区域夹杂和基体相进行纳米压痕实验测试其弹性模量和硬度，采用混合公式，结合接头各区的循环应力应变曲线，得到各区域夹杂的循环应力应变曲线；
D)选定足够表达晶体特征的一个尺寸，统计出这一尺寸下各个区域所包含的具体夹杂、晶粒个数及晶体取向分布；
E)根据接头各个区域的晶体形态和数量利用MATLAB软件生成不同大小、不同数量的voronoi多边形，经过CAD软件对voronoi多边形进行修正后再将图形导入ABAQUS生成代表性体积单元，并参照金相图对代表性体积单元加入夹杂，接头的每个区域都生成相应的代表性体积单元，把晶体塑性本构关系赋予代表性体积单元中的基体晶粒，其中的夹杂属性采用非线性运动硬化模型；
F)利用MATLAB生成随机晶体取向结合Python脚本语言创建材料库，把不同的取向属性赋予代表性体积单元中的每个晶粒，按比例为晶粒赋予特定织构的取向，其余晶粒赋予随机取向；
G)综合硬度和金相微观组织分区建立宏观模型，其形状和尺寸是疲劳试件的有效部分，在接头每个区域插入上述建立的代表性体积单元，建立搅拌摩擦焊接头微结构梯度模型，宏观模型的材料采用非线性运动硬化模型；
H)对模型施加疲劳载荷，根据接头各区的应力应变分布判定性能薄弱区域；观察接头各区应力应变分布情况，重点分析代表性体积单元中多晶粒晶界处、不同取向的晶粒、夹杂附近的应力应变分布情况，以明显的局部应力集中区域和应变较大区域为疲劳薄弱区域。
2.根据权利要求1所述的一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，其特征在于：所述步骤E)中针对接头各个区域晶粒形态、取向及夹杂分布生成能够反映真实晶粒的图形，并赋予夹杂和基体晶粒的材料属性和本构关系。
3.根据权利要求1所述的一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，其特征在于：所述步骤G)中建立的搅拌摩擦焊接头微结构梯度模型，首先从宏观上对接头进行分区，每个区域的材料属性根据实验得到的真实数据进行输入，其次在接头宏观模型中对每个区域都插入反映微观结构的含夹杂和晶粒特征的代表性体积单元，这样既能从宏观上看到接头各区的应力应变分布，又能从微观出发研究夹杂、晶界和晶体取向对材料应力应变分布的影响。
4.根据权利要求1所述的一种考虑微结构夹杂和晶体取向的搅拌摩擦焊接头疲劳薄弱区域的确定方法，其特征在于：所述步骤H)中判定疲劳薄弱区域的方法，综合考虑应力、应变、晶粒特征、晶界形式及夹杂的尺寸与分布因素。
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