Mater. Sci. Eng. A：鋁鋼異種材料焊接接頭力學性能研究

【引言】

鋁鋼混合結構具有良好的綜合性能，在工程機械中得到了廣泛應用。由于鋁鋼焊接接頭硬度上的突變使得焊縫的彈塑性行為發生變化，該彈塑性模型對于焊接應力和變形的模擬至關重要。目前，主要用微小試樣進行單軸拉伸實驗研究焊接接頭彈塑性行為，但該方法實驗難度大，很難應用。

【成果簡介】

近日，德國勃蘭登堡工業大學的Anton Evdokimov（通訊作者）在Materials Science and Engineering: A上發表了最新的研究成果“MECHANICAL PROPERTIES OF DISSIMILAR STEEL-ALUMINUM WELDS”。在該文中，研究人員利用壓痕技術對鋁鋼異種接頭力學性能進行了研究。

【圖文導讀】

圖1 焊接接頭及焊縫橫截面示意圖

圖2 壓痕痕跡和EDS測量示意圖

（a）納米壓痕示意圖

（b）EDS測量示意圖

圖3 彈塑性材料典型的載荷P-壓痕深度h曲線

（a）壓痕實驗示意圖

（b）彈塑性材料典型的載荷P-壓痕深度h曲線

圖4 鋁-鋼焊接接頭壓痕深度和曲率載荷的典型曲線

圖5 計算應變硬化指數和屈服強度的迭代算法流程圖

圖6 母材的P-h曲線

圖7 通過壓痕得到的屈服強度-應變硬化指數與實驗測定值的比較

（a）通過壓痕得到的鋼的屈服強度-應變硬化指數與實驗測定值的比較

（b）通過壓痕得到的鋁合金的屈服強度-應變硬化指數與實驗測定值的比較

圖8 母材的真應力-應變曲線

（a）鋼的真應力-應變曲線

（b）鋁的真應力-應變曲線

圖9 焊縫的橫截面和P-h曲線

（a）參數1：試樣1-1的焊縫的橫截面和P-h曲線

（b）參數1：試樣1-2的焊縫的橫截面和P-h曲線

（c）參數2：試樣2-1的焊縫的橫截面和P-h曲線

（d）參數2：試樣2-2的焊縫的橫截面和P-h曲線

圖10 屈服強度-應變硬化指數關系

（a）參數1：試樣1-1的屈服強度-應變硬化指數曲線

（b）參數1：試樣1-2的屈服強度-應變硬化指數曲線

（c）參數2：試樣2-1的屈服強度-應變硬化指數曲線

（d）參數2：試樣2-2的屈服強度-應變硬化指數曲線

圖11 儀器化錐形壓痕的計算模型

（a）有限元模型的模型、網格及邊界條件

（b）卸載后的焊縫內部等效塑性應變云圖

圖12 鋁鋼異種接頭P-h曲線的計算值和實驗值

（a）實驗1：鋁鋼異種接頭P-h曲線的計算值和實驗值

（b）實驗2：鋁鋼異種接頭P-h曲線的計算值和實驗值

圖13 鋁鋼異種接頭P-h曲線的計算值和實驗值

圖14 鋁-鋼異種接頭的真應力-應變曲線

圖15 焊縫鋁元素含量的EDS分析

（a）試樣1-2

（b）試樣2-2

圖16 不同區域的P-h曲線

（a）試樣1-2不同區域的P-h曲線

（b）試樣2-2不同區域的P-h曲線

圖17 屈服強度-應變硬化指數曲線

（a）試樣1-2的屈服強度-應變硬化指數曲線

（b）試樣2-2的屈服強度-應變硬化指數曲線

圖18 焊接接頭力學性能和鋁含量的關系

（a）硬度和屈服強度與鋁含量的關系

（b）楊氏模量和應變硬化指數與鋁含量的關系

【小結】

研究人員用表示不同鋁鋼含量的鋁鋼異種接頭研究了化學成分和力學性能。利用壓痕實驗以及P-h逆計算得到了鋁鋼異種接頭的應力-應變關系。主要結論如下：
（1）壓痕法能夠得到焊縫的應力-應變關系。
（2）和母材相比，焊縫的強度和硬度有所提高，而楊氏模量和應變硬化指數變化不大。
（3）焊接接頭的屈服強度和硬度與鋁元素的含量并不成線性關系。鋁元素含量對楊氏模量和應變硬化指數影響不大。
（4）不同的焊接速度會導致彈塑性行為發生很大變化，焊接速度減小會使強度提高。鋁鋼異種接頭的屈服強度和硬度的比值約為1.9。

文獻鏈接：MECHANICAL PROPERTIES OF DISSIMILAR STEEL-ALUMINUM WELDS（Materials Science and Engineering: A，2018，doi.org/10.1016/j.msea.2018.03.019）。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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