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超声冲击辅助CMT电弧增材制造铝合金组织及性能研究

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超声冲击辅助CMT电弧增材制造铝合金组织及性能研究

作者：范越强南昌航空大学

学位级别：硕士

2319铝合金作为一种变形铝合金,因其具有较高的强度重量比以及良好的加工性能而受到广泛应用。尤其是在航空航天领域中,大型结构件的制造对于2319铝合金的需求日益增强。目前,采用传统减材制造技术制备铝合金构件存在一系列问题,例如生... 详细信息

2319铝合金作为一种变形铝合金,因其具有较高的强度重量比以及良好的加工性能而受到广泛应用。尤其是在航空航天领域中,大型结构件的制造对于2319铝合金的需求日益增强。目前,采用传统减材制造技术制备铝合金构件存在一系列问题,例如生产周期长、材料利用率低及制造成本高等。冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)电弧增材制造技术具有生产效率高、热输入低及电弧稳定性强等优点,尤其适用于大型结构件的制造。然而,CMT电弧增材制造构件的应用仍受到组织不均匀、气孔缺陷较多及力学性能不足等问题的制约,因此本研究在铝合金CMT电弧增材制造过程中施加超声冲击,对处于较高温度的沉积层进行实时冲击处理。利用超声能量击碎枝晶以产生更多等轴晶形核质点,同时促进动态再结晶的形成,以实现铝合金组织的原位优化并改善气孔缺陷。主要研究结论如下:(1)沉积态铝合金沿沉积高度方向具有微观组织不均匀性,其中层间区域主要包括细晶区及柱状枝晶区,而层内区域以粗大等轴晶为主。这是由于不同位置在沉积过程中受热影响程度存在差异,进而导致冷却速度不同所造成。(2)超声冲击态铝合金在振幅为60μm、冲击部位温度为460℃时,热激活效应增强,原子活动剧烈,有助于动态再结晶的形成,使得平均晶粒尺寸达到最小值36.63μm,较沉积态减小45.6%。在气孔缺陷方面,当振幅为60μm、冲击部位温度为380℃时,气孔的形核、长大和上浮过程完成度较高,气孔率降至最低值0.24%,较沉积态降低0.52%,此时气孔缺陷改善效果最佳。(3)经超声冲击后,柱状晶区域出现由细晶组成的分隔线和分隔带,表明超声冲击处理导致更多异质形核质点的产生,进而促进晶粒竞争性长大;粗大等轴晶粒的晶界处产生大量再结晶晶粒,表明不连续动态再结晶的发生。(4)经超声冲击后,铝合金平均显微硬度增大,较沉积态最高提升21.91%。在拉伸性能方面,沉积高度方向与扫描方向的抗拉强度分别为263.5 MPa和270.8MPa,较沉积态分别提升9.9%和4.9%;二者延伸率分别为7.1%和13.2%,较沉积态分别降低41.8%和21%。超声冲击态铝合金抗拉强度的提高主要归因于平均晶粒尺寸的减小,进而促进细晶强化。断口形貌分析表明,沿晶脆性断裂是导致沉积高度方向延伸率显著降低的主要原因。

关键词： CMT电弧增材制造超声冲击铝合金微观组织力学性能

焊接残余应力对超声冲击处理焊接接头疲劳寿命的影响

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机械工程学报 2023年第10期59卷 124-133页

作者：张海王东坡高志伟中国民航大学航空工程学院天津300300 天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

国际焊接学会(IIW)于2016年发布超声冲击改善焊接接头疲劳性能的推荐规范,该规范的制定主要基于轴向加载的小尺寸焊接接头的疲劳试验,没有充分考虑实际焊接结构中存在的高值焊接残余应力对疲劳延寿效果的影响。采用试验和有限元相结合... 详细信息

国际焊接学会(IIW)于2016年发布超声冲击改善焊接接头疲劳性能的推荐规范,该规范的制定主要基于轴向加载的小尺寸焊接接头的疲劳试验,没有充分考虑实际焊接结构中存在的高值焊接残余应力对疲劳延寿效果的影响。采用试验和有限元相结合的方法研究焊接残余应力对超声冲击处理焊接接头疲劳寿命的影响,结果表明,焊接残余拉应力的存在使超声冲击形成的有益残余压缩应力在疲劳服役过程中发生明显释放,进而降低超声冲击处理焊接接头的疲劳延寿效果;试件厚度方向的焊接残余应力平均值越大并且焊接残余应力在超声冲击形成的平衡拉应力区(表面向下1.5~4mm)的值越大,残余压缩应力越容易发生释放。研究充分证实焊接残余拉应力对超声冲击疲劳延寿效果产生不利影响,并揭示其影响因素,对超声冲击处理规范的制定和疲劳评估具有指导意义。

关键词：超声冲击焊接接头疲劳寿命残余压缩应力残余应力释放

超声冲击处理对高合金钢表面高温耐磨损性能的影响

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材料热处理学报 2019年第3期40卷 154-159页

作者：梁昊张智慧周小猛陆超孙建宇毛向阳南京工程学院材料工程学院江苏南京211167 江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室江苏南京211167 江苏共昌轧辊股份有限公司江苏宜兴214253

采用超声冲击设备对高合金钢进行冲击加工,并对冲击后的试样进行400℃退火2 h处理。通过扫描电镜(SEM)、显微硬度仪和高温摩擦磨损仪研究了超声冲击处理后试样的显微组织、硬度分布和高温环境下的摩擦磨损性能;采用光学显微镜和SEM观察... 详细信息

采用超声冲击设备对高合金钢进行冲击加工,并对冲击后的试样进行400℃退火2 h处理。通过扫描电镜(SEM)、显微硬度仪和高温摩擦磨损仪研究了超声冲击处理后试样的显微组织、硬度分布和高温环境下的摩擦磨损性能;采用光学显微镜和SEM观察试样磨损表面和磨痕的微观形貌,使用能谱仪(EDS)分析磨损表面的元素组成,以研究其磨损机理。结果表明,经超声冲击处理的高合金钢,在温度低于500℃时摩擦系数为0.3～0.4,磨损率为0.04%～0.05%,起伏较小。与原始试样相比,超声冲击处理使其表面形成一层梯度细化组织,表面硬度提高了15.8%,在同等高温条件下的摩擦系数降低了45.8%,磨损率降低了35.8%,表明其高温耐磨损性能经超声冲击处理后得到显著提升。

关键词：高合金钢梯度细化组织超声冲击高温耐磨损性能

超声冲击对SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响

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中国表面工程 2017年第4期30卷 64-70页

作者：何柏林邓海鹏魏康华东交通大学材料科学与工程学院南昌330013 中国中车南京浦镇车辆有限公司南京210031

采用超声冲击工艺对转向架用SMA490BW钢对接接头焊趾表面进行冲击处理,研究了超声冲击对接头超高周疲劳性能的影响。借助金相显微镜、SEM和TEM研究了冲击层金相组织、冲击前后焊趾处的形貌及表层金属晶粒细化程度。运用有限元软件计算... 详细信息

采用超声冲击工艺对转向架用SMA490BW钢对接接头焊趾表面进行冲击处理,研究了超声冲击对接头超高周疲劳性能的影响。借助金相显微镜、SEM和TEM研究了冲击层金相组织、冲击前后焊趾处的形貌及表层金属晶粒细化程度。运用有限元软件计算焊接接头的应力分布,采用X射线应力仪对冲击前后焊趾表层的应力进行了测量和分析。结果表明,在5×10~6循环周次下,冲击态接头和焊态接头的疲劳强度分别为206 MPa和153 MPa,经冲击处理后疲劳强度提高了34.6%。在1×10~8循环周次下,冲击态接头的疲劳强度为195 MPa,与焊态接头的141 MPa相比提高了38.3%。在240 MPa的应力水平下,焊接接头经超声冲击处理后的疲劳寿命提高了7倍。经冲击处理的焊趾部位的应力集中系数下降了19.1%,其表面的残余拉应力得到消除,并转变为有益的残余压缩应力,焊趾表层组织得到明显细化,这3个方面均对提高焊接接头疲劳性能起到了积极贡献。

关键词：列车转向架焊接接头超声冲击超高周疲劳纳米晶

超声冲击强化对铝合金搅拌摩擦焊缝疲劳性能的影响

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超声冲击强化对铝合金搅拌摩擦焊缝疲劳性能的影响

作者：黄秉汉沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

搅拌摩擦焊(FSW)解决了铝合金传统的焊接工艺容易出现气孔、夹渣,并且焊接完的残余应力较大,焊缝强度较低这些缺点。在实际工程应用中,焊接结构在焊缝处的疲劳断裂往往会导致严重的后果,而疲劳断裂通常从表面开始,因此提高材料表层的性... 详细信息

搅拌摩擦焊(FSW)解决了铝合金传统的焊接工艺容易出现气孔、夹渣,并且焊接完的残余应力较大,焊缝强度较低这些缺点。在实际工程应用中,焊接结构在焊缝处的疲劳断裂往往会导致严重的后果,而疲劳断裂通常从表面开始,因此提高材料表层的性能显得尤为重要。超声冲击表面强化能使材料的表面获得良好的性能,进而提升整体力学性能,具有广泛的应用前景。本文对铝合金2024-T4 FSW的表面进行超声冲击处理。研究分析了超声冲击表面处理对试样表层的残余应力、微观组织和显微硬度的影响。试验表明,与未处理的试样相比,超声冲击处理的试样表面会引入平均值可达263 Mpa的残余压应力;超声冲击处理的试样表层会有一层塑性变形层,深度可达50-70μm,同时使表面硬度由175 HV提升到235 HV;在室温空气条件下进行疲劳试验,对所得数据进行分析并拟合出S-N曲线,结果表明经过超声冲击处理的试样寿命是未处理的试样寿命的1.72-2倍。通过浸泡试验测得在3.5%Na Cl溶液中超声冲击处理与未处理试样的腐蚀速率,并且测出动电位极化曲线。结果表明,超声冲击处理的试样表现出了更低的腐蚀速率,呈现出均匀腐蚀的状态,且质量损失率明显小于未处理的试样,通过观察微观组织对腐蚀机理进行研究。分别对室温空气下和3.5%Na Cl溶液中对超声冲击处理与未处理的试样进行了中值寿命区域的疲劳寿命测试,在空气中的超声冲击处理的试样平均寿命是未处理试样平均寿命的1.74倍,在3.5%Na Cl溶液中中超声冲击的试样平均寿命是未处理试样平均寿命的2倍。通过使用扫描电子显微镜观察断口,对超声冲击表面强化的提升机理做进一步分析。

关键词：超声冲击搅拌摩擦焊铝合金疲劳性能腐蚀性能

超声冲击对MB8镁合金焊接接头表层组织及力学性能的影响

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中国有色金属学报 2016年第12期26卷 2479-2487页

作者：魏康何柏林于影霞华东交通大学机电工程学院南昌330013

采用HJ-III型超声冲击机对MB8镁合金焊接接头焊趾进行表面处理,就不同冲击工艺参数对焊接接头表层组织及力学性能进行测试。结果表明:经过超声冲击处理后,接头焊趾及其附近区域表层组织内的原始粗晶转变为晶界清晰、随机取向的纳米晶粒... 详细信息

采用HJ-III型超声冲击机对MB8镁合金焊接接头焊趾进行表面处理,就不同冲击工艺参数对焊接接头表层组织及力学性能进行测试。结果表明:经过超声冲击处理后,接头焊趾及其附近区域表层组织内的原始粗晶转变为晶界清晰、随机取向的纳米晶粒;焊趾处的应力集中系数得到有效降低,表层硬度及其抗拉强度得到提高;超声冲击前后接头拉伸试样均断于焊趾,接头的拉伸断裂机制为准解理断裂。冲击电流为1.2 A、冲击时间为6 min时,与未超声冲击试样相比,MB8镁合金接头的应力集中系数降低12.04%,焊趾表层最大硬度值提高63.2%,抗拉强度提高33.2%,接头表层金属晶粒细化以及焊趾处应力集中程度的降低是提高MB8镁合金焊接接头力学性能的主要原因。

关键词：超声冲击焊接接头表层组织抗拉强度晶粒细化

超声冲击处理对30CrMnSi钢焊接接头腐蚀和疲劳性能的影响

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超声冲击处理对30CrMnSi钢焊接接头腐蚀和疲劳性能的影响

作者：刘博洋吉林大学

学位级别：硕士

煤炭作为我国主体能源要服务经济社会健康发展,特别是在“双碳”目标实施过程中,保障煤矿的安全高效开采是煤炭行业发展的基本要求。近年来,低合金高强钢以其优异的综合力学性能被广泛应用在煤矿液压支架上,液压支架在服役过程中受到循... 详细信息

煤炭作为我国主体能源要服务经济社会健康发展,特别是在“双碳”目标实施过程中,保障煤矿的安全高效开采是煤炭行业发展的基本要求。近年来,低合金高强钢以其优异的综合力学性能被广泛应用在煤矿液压支架上,液压支架在服役过程中受到循环载荷和矿井内复杂环境的影响,导致其失效的安全事故时有发生。本文针对液压支架焊接结构中的薄弱位置——焊接接头,采用超声冲击处理方法改善接头位置的应力状态和微观组织,在复杂环境下研究超声冲击对于30CrMnSi钢焊接接头腐蚀和疲劳性能的影响,主要结论如下:30CrMnSi钢焊接接头经过超声冲击处理后,焊趾位置几何形貌发生改变,应力集中减小;焊趾表面焊接残余拉应力转变为残余压应力;超声冲击强化表面形成塑性变形层,发生晶粒细化、位错密度增加、显微硬度提高。超声冲击处理后接头表面组织和性能的变化导致30CrMnSi钢焊接接头疲劳性能大幅提高,在液压缸额定工作应力245MPa水平下,接头的疲劳寿命提高7倍左右,并且疲劳薄弱位置也发生转移。30CrMnSi钢焊接接头和母材经过超声冲击处理后,在矿井水中的腐蚀速率降低,表面腐蚀缺陷数量较少;电化学腐蚀的容抗弧半径和极化电阻较大,极化电流降低。超声冲击细化表面晶粒会使材料表面产生的钝化膜更致密,阻碍氯离子等腐蚀介质与金属基体接触,提高耐腐蚀性能。对不同腐蚀时间接头表面形貌分析发现,一阶指数函数能够预测接头腐蚀坑深度和直径分布参数的动力学规律。超声冲击引入的残余压应力和晶粒细化层能够改善接头的腐蚀疲劳性能,对应2×10循环次数的腐蚀疲劳强度提高51.16%左右。特别是在低应力水平下试样断裂于母材,这是因为超声冲击处理在焊趾处形成压缩应力,从而母材处将会出现拉应力与之平衡,拉应力将氢聚集,导致在母材处断裂。

关键词： 30CrMnSi钢超声冲击焊接接头腐蚀疲劳

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超声冲击对焊接接头表面质量的影响

表面技术 2017年第2期46卷 208-213页

作者：邓海鹏于影霞华东交通大学南昌330013

焊接是船舶、飞机、汽车、火车、压力容器、起重设备等大结构、复杂结构的重要加工方法。焊接结构的失效尤其是疲劳失效大多起始于焊接接头表面,因此对焊接接头表面质量的优化可改善焊接结构的性能,延长使用寿命。综述了超声冲击在焊接... 详细信息

焊接是船舶、飞机、汽车、火车、压力容器、起重设备等大结构、复杂结构的重要加工方法。焊接结构的失效尤其是疲劳失效大多起始于焊接接头表面,因此对焊接接头表面质量的优化可改善焊接结构的性能,延长使用寿命。综述了超声冲击在焊接接头表面质量改进中的研究现状。分析了超声冲击对焊接接头表面几何形状的影响,指出超声冲击增大焊趾处圆弧过渡半径、降低应力集中系数和减小缺口效应的作用。总结了超声冲击对焊接接头表面残余应力的影响,指出超声冲击通过宏观塑性变形引发微观位错运动和增殖的机制,由此在焊接接头表面和次表面产生有益的残余压应力。阐述了超声冲击对焊接接头表面组织形态的影响,指出超声冲击在产生宏观织构和细化晶粒方面的作用。简述了超声冲击对提高焊接接头显微硬度和消除表面缺陷等方面的有利影响,同时指出合理的超声冲击参数才能降低焊接接头的表面粗糙度。最后,分析了目前研究存在的问题并对未来研究方向进行了展望。

关键词：焊接接头疲劳表面质量超声冲击焊趾表面强化

超声冲击改善6061铝合金焊接残余应力的数值模拟

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焊接学报 2013年第12期34卷 88-92,5页

作者：陈健吕林方锴江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室镇江212003

运用ANSYS有限元软件对无应力和存在焊接残余应力的6061铝合金试板的超声冲击过程进行了数值模拟,并和实测结果进行了对比.结果表明,对于无应力试板,冲击中心表面为压应力,周围为拉应力;在冲击中心沿板厚方向,应力状态逐渐由压应力转变... 详细信息

运用ANSYS有限元软件对无应力和存在焊接残余应力的6061铝合金试板的超声冲击过程进行了数值模拟,并和实测结果进行了对比.结果表明,对于无应力试板,冲击中心表面为压应力,周围为拉应力;在冲击中心沿板厚方向,应力状态逐渐由压应力转变为拉应力,随冲击过程的进行,材料整体应力水平不断提高;对于存在焊接应力的试板,增加载荷位移,冲击区域的应力降幅也随之增大,最大拉应力逐渐向母材区转移且其峰值也不断下降,应力降幅符合实测结果.

关键词：超声冲击焊接残余应力数值模拟