一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法技術

本發(fā)明專利技術涉及一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法，對接頭各區(qū)域截取微小試件，數(shù)據(jù)處理得到靜載力學性能和循環(huán)載荷下的疲勞參數(shù)；對每個區(qū)域截取的微小試件依次進行磨削、拋光與電解；采用混合公式，結合接頭各區(qū)的循環(huán)應力應變曲線，得到各區(qū)域夾雜的循環(huán)應力應變曲線；把不同的取向屬性賦予代表性體積單元中的每個晶粒，建立攪拌摩擦焊接頭微結構梯度模型，宏觀模型的材料采用非線性運動硬化模型；對模型施加疲勞載荷。觀察接頭各區(qū)應力應變分布情況，重點分析代表性體積單元中多晶粒晶界處、不同取向的晶粒、夾雜附近的應力應變分布情況，以較為明顯的局部應力集中區(qū)域和應變較大區(qū)域為疲勞薄弱區(qū)域。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及微結構的攪拌摩擦焊接頭的疲勞載荷下薄弱區(qū)域特征確定方法，特指考慮夾雜和晶體取向的焊接接頭疲勞載荷下薄弱區(qū)域特征確定方法。
技術介紹
從微觀角度看材料是非均勻、各向異性的，晶粒的形態(tài)和晶體學取向會影響材料的力學性能。材料在疲勞載荷下，裂紋常常是從夾雜處或者晶界處萌生，然后擴展為宏觀裂紋。研究表明材料的微觀結構對疲勞微裂紋的萌生和擴展有重要影響。晶體塑性有限元是將晶體塑性力學本構關系與有限元方法相結合，從微觀尺度出發(fā)模擬金屬的塑性變形過程。在攪拌摩擦焊接頭中存在微觀組織結構不同的區(qū)域，本專利技術的方法是考慮接頭各區(qū)域晶體取向、晶界的作用及夾雜的影響，實現(xiàn)基于微結構的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域界定，較好地預測接頭疲勞裂紋萌生部位，準確地分析局部微觀結構的受力情況。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于能夠考慮焊接接頭中的夾雜和晶體取向在疲勞損傷過程中的影響，準確地反映焊接接頭在疲勞載荷下的薄弱區(qū)域特征。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法，該方法的實施流程如下，步驟1)對接頭各區(qū)域截取微小試件，并對微小試件進行微拉伸實驗和疲勞試驗，數(shù)據(jù)處理得到靜載力學性能和循環(huán)載荷下的疲勞參數(shù)；步驟2)對每個區(qū)域截取的微小試件依次進行磨削、拋光與電解，用電子背散射衍射(EBSD)技術觀察接頭各區(qū)域的晶體特征，結合金相圖片觀察夾雜特征，統(tǒng)計出各區(qū)域的晶粒平均尺寸、晶體取向分布及夾雜平均尺寸及分布位置情況；步驟3)對各區(qū)域夾雜和基體相進行納米壓痕實驗測試其彈性模量和硬度，采用混合公式，結合接頭各區(qū)的循環(huán)應力應變曲線，得到各區(qū)域夾雜的循環(huán)應力應變曲線；步驟4)選定足夠表達晶體特征的一個尺寸，統(tǒng)計出這一尺寸下各個區(qū)域所包含的夾雜、晶粒個數(shù)及晶體取向分布；步驟5)根據(jù)接頭各個區(qū)域的晶體形態(tài)和數(shù)量利用MATLAB軟件生成不同大小、不同數(shù)量的voronoi多邊形，將圖形導入ABAQUS生成代表性體積單元，并參照金相圖對代表性體積單元加入夾雜，接頭的每個區(qū)域都生成相應的代表性體積單元，把晶體塑性本構關系賦予代表性體積單元的基體晶粒，其中的夾雜屬性采用非線性運動硬化模型；步驟6)利用MATLAB生成隨機晶體取向結合Python腳本語言創(chuàng)建材料庫，把不同的取向屬性賦予代表性體積單元中的每個晶粒，按比例為晶粒賦予特定織構的取向，其余晶粒賦予隨機取向；步驟7)綜合硬度和金相微觀組織分區(qū)建立宏觀模型，其形狀和尺寸是疲勞試件的有效部分，在接頭每個區(qū)域插入上述建立的代表性體積單元，建立攪拌摩擦焊接頭微結構梯度模型，宏觀模型的材料采用非線性運動硬化模型；步驟8)對模型施加疲勞載荷，根據(jù)接頭各區(qū)的應力應變分布判定性能薄弱區(qū)域。觀察接頭各區(qū)應力應變分布情況，重點分析代表性體積單元中多晶粒晶界處、不同取向的晶粒、夾雜附近的應力應變分布情況，以較為明顯的局部應力集中區(qū)域和應變較大區(qū)域為疲勞薄弱區(qū)域。本專利技術所建方法考慮了焊接接頭中各區(qū)域的微觀結構即夾雜和晶體取向等微觀特征對焊接接頭的力學性能的影響，能夠更準確的判斷出接頭疲勞薄弱區(qū)域并更精確地計算局部應力或應變數(shù)值，能夠更真實的反映早期疲勞損傷過程，便于更準確的進行疲勞壽命預測，有效預防疲勞斷裂的發(fā)生。附圖說明圖1為一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法流程示意圖。圖2為微小試件形狀及尺寸。圖3為接頭熱影響區(qū)的EBSD圖。圖4為接頭模型示意圖。圖5為薄弱區(qū)域示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術方法作進一步的描述，如圖1所示一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法，其步驟為：步驟1)對接頭焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材各區(qū)域截取微小試件，試件厚度1mm，如圖2，并對微小試件進行微拉伸實驗和疲勞試驗，數(shù)據(jù)處理得到靜載力學性能和循環(huán)載荷下的疲勞參數(shù)；步驟2)對每個區(qū)域截取的微小試件依次進行磨削、拋光與電解，用電子背散射衍射(EBSD)技術觀察接頭各個區(qū)域的晶體特征，圖3為接頭熱影響區(qū)的EBSD圖，結合金相圖片觀察夾雜特征，統(tǒng)計出各區(qū)域的晶粒平均尺寸、晶體取向分布及夾雜平均尺寸及分布位置情況；步驟3)對各區(qū)域夾雜和基體相進行納米壓痕實驗測試其彈性模量和硬度，采用混合公式，結合接頭各區(qū)的循環(huán)應力應變曲線，得到各區(qū)域夾雜的循環(huán)應力應變曲線；步驟4)選定足夠表達晶體特征的一個尺寸，統(tǒng)計出這一尺寸下各個區(qū)域所包含的夾雜、晶粒個數(shù)及晶體取向分布；步驟5)根據(jù)接頭各區(qū)域的晶體形態(tài)和數(shù)量利用MATLAB軟件生成不同大小、不同數(shù)量的voronoi多邊形，經過CAD軟件對voronoi多邊形進行修正后再將圖形導入ABAQUS生成代表性體積單元，并參照金相圖對代表性體積單元加入夾雜，接頭的每個區(qū)域都生成相應的代表性體積單元，如圖4中的局部放大圖為熱影響區(qū)域的voronoi多邊形，其中紅色多邊形為夾雜，通過子程序UMAT把晶體塑性本構關系賦予代表性體積單元的基體晶粒，夾雜屬性采用非線性運動硬化模型；步驟6)利用MATLAB生成隨機晶體取向結合Python腳本語言創(chuàng)建材料庫，把不同的取向屬性賦予代表性體積單元中的每個晶粒，按比例為晶粒賦予特定織構的取向，其余晶粒賦予隨機取向；步驟7)綜合硬度和金相微觀組織分區(qū)建立宏觀模型，其形狀和尺寸是疲勞試件的有效部分，在接頭每個區(qū)域插入上述建立的代表性體積單元，建立攪拌摩擦焊接頭微結構梯度模型，宏觀模型的材料采用非線性運動硬化模型，模型示意如圖4；步驟8)對模型施加疲勞載荷，根據(jù)接頭各區(qū)的應力應變分布判定性能薄弱區(qū)域。觀察接頭各區(qū)應力應變分布情況，重點分析代表性體積單元中多晶粒晶界處、不同取向的晶粒、夾雜附近的應力應變分布情況，以較為明顯的局部應力集中區(qū)域和應變較大區(qū)域為疲勞薄弱區(qū)域。圖5為模型中微結構薄弱區(qū)域示意圖，薄弱區(qū)域為靠近夾雜的四晶界交界處。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法，其步驟為：A)對接頭焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材各區(qū)域截取微小試件，并對微小試件進行微拉伸實驗和疲勞試驗，數(shù)據(jù)處理得到靜載力學性能和循環(huán)載荷下的疲勞參數(shù)；B)對每個區(qū)域截取的微小試件依次進行磨削、拋光與電解，用電子背散射衍射(EBSD)技術觀察接頭各個區(qū)域的晶體特征，結合金相圖片觀察夾雜特征，統(tǒng)計出各區(qū)域的晶粒平均尺寸、晶體取向分布及夾雜平均尺寸及分布位置情況；C)對各區(qū)域夾雜和基體相進行納米壓痕實驗測試其彈性模量和硬度，采用混合公式，結合接頭各區(qū)的循環(huán)應力應變曲線，得到各區(qū)域夾雜的循環(huán)應力應變曲線；D)選定足夠表達晶體特征的一個尺寸，統(tǒng)計出這一尺寸下各個區(qū)域所包含的具體夾雜、晶粒個數(shù)及晶體取向分布；E)根據(jù)接頭各個區(qū)域的晶體形態(tài)和數(shù)量利用MATLAB軟件生成不同大小、不同數(shù)量的voronoi多邊形，經過CAD軟件對voronoi多邊形進行修正后再將圖形導入ABAQUS生成代表性體積單元，并參照金相圖對代表性體積單元加入夾雜，接頭的每個區(qū)域都生成相應的代表性體積單元，把晶體塑性本構關系賦予代表性體積單元中的基體晶粒，其中的夾雜屬性采用非線性運動硬化模型；F)利用MATLAB生成隨機晶體取向結合Python腳本語言創(chuàng)建材料庫，把不同的取向屬性賦予代表性體積單元中的每個晶粒，按比例為晶粒賦予特定織構的取向，其余晶粒賦予隨機取向；G)綜合硬度和金相微觀組織分區(qū)建立宏觀模型，其形狀和尺寸是疲勞試件的有效部分，在接頭每個區(qū)域插入上述建立的代表性體積單元，建立攪拌摩擦焊接頭微結構梯度模型，宏觀模型的材料采用非線性運動硬化模型；H)對模型施加疲勞載荷，根據(jù)接頭各區(qū)的應力應變分布判定性能薄弱區(qū)域；觀察接頭各區(qū)應力應變分布情況，重點分析代表性體積單元中多晶粒晶界處、不同取向的晶粒、夾雜附近的應力應變分布情況，以明顯的局部應力集中區(qū)域和應變較大區(qū)域為疲勞薄弱區(qū)域。...

【技術特征摘要】
1.一種考慮微結構夾雜和晶體取向的攪拌摩擦焊接頭疲勞薄弱區(qū)域的確定方法，其步驟為：A)對接頭焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材各區(qū)域截取微小試件，并對微小試件進行微拉伸實驗和疲勞試驗，數(shù)據(jù)處理得到靜載力學性能和循環(huán)載荷下的疲勞參數(shù)；B)對每個區(qū)域截取的微小試件依次進行磨削、拋光與電解，用電子背散射衍射(EBSD)技術觀察接頭各個區(qū)域的晶體特征，結合金相圖片觀察夾雜特征，統(tǒng)計出各區(qū)域的晶粒平均尺寸、晶體取向分布及夾雜平均尺寸及分布位置情況；C)對各區(qū)域夾雜和基體相進行納米壓痕實驗測試其彈性模量和硬度，采用混合公式，結合接頭各區(qū)的循環(huán)應力應變曲線，得到各區(qū)域夾雜的循環(huán)應力應變曲線；D)選定足夠表達晶體特征的一個尺寸，統(tǒng)計出這一尺寸下各個區(qū)域所包含的具體夾雜、晶粒個數(shù)及晶體取向分布；E)根據(jù)接頭各個區(qū)域的晶體形態(tài)和數(shù)量利用MATLAB軟件生成不同大小、不同數(shù)量的voronoi多邊形，經過CAD軟件對voronoi多邊形進行修正后再將圖形導入ABAQUS生成代表性體積單元，并參照金相圖對代表性體積單元加入夾雜，接頭的每個區(qū)域都生成相應的代表性體積單元，把晶體塑性本構關系賦予代表性體積單元中的基體晶粒，其中的夾雜屬性采用非線性運動硬化模型；F)利用MATLAB生成隨機晶體取向結合Python腳本語言創(chuàng)建材料庫，把不同的取向屬性賦予代表性體積單元中的每個晶粒，按比例為晶粒賦予特定織構的取向，其余晶粒賦予隨機取向；G)綜合硬度和金相微觀組織分區(qū)建...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：孫國芹，陳亞靜，
申請(專利權)人：北京工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11