Mater. Sci. Eng. A：铝钢异种材料焊接接头力学性能研究

【引言】

铝钢混合结构具有良好的综合性能，在工程机械中得到了广泛应用。由于铝钢焊接接头硬度上的突变使得焊缝的弹塑性行为发生变化，该弹塑性模型对于焊接应力和变形的模拟至关重要。目前，主要用微小试样进行单轴拉伸实验研究焊接接头弹塑性行为，但该方法实验难度大，很难应用。

【成果简介】

近日，德国勃兰登堡工业大学的Anton Evdokimov（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“MECHANICAL PROPERTIES OF DISSIMILAR STEEL-ALUMINUM WELDS”。在该文中，研究人员利用压痕技术对铝钢异种接头力学性能进行了研究。

【图文导读】

图1 焊接接头及焊缝横截面示意图

图2 压痕痕迹和EDS测量示意图

（a）纳米压痕示意图

（b）EDS测量示意图

图3 弹塑性材料典型的载荷P-压痕深度h曲线

（a）压痕实验示意图

（b）弹塑性材料典型的载荷P-压痕深度h曲线

图4 铝-钢焊接接头压痕深度和曲率载荷的典型曲线

图5 计算应变硬化指数和屈服强度的迭代算法流程图

图6 母材的P-h曲线

图7 通过压痕得到的屈服强度-应变硬化指数与实验测定值的比较

（a）通过压痕得到的钢的屈服强度-应变硬化指数与实验测定值的比较

（b）通过压痕得到的铝合金的屈服强度-应变硬化指数与实验测定值的比较

图8 母材的真应力-应变曲线

（a）钢的真应力-应变曲线

（b）铝的真应力-应变曲线

图9 焊缝的横截面和P-h曲线

（a）参数1：试样1-1的焊缝的横截面和P-h曲线

（b）参数1：试样1-2的焊缝的横截面和P-h曲线

（c）参数2：试样2-1的焊缝的横截面和P-h曲线

（d）参数2：试样2-2的焊缝的横截面和P-h曲线

图10 屈服强度-应变硬化指数关系

（a）参数1：试样1-1的屈服强度-应变硬化指数曲线

（b）参数1：试样1-2的屈服强度-应变硬化指数曲线

（c）参数2：试样2-1的屈服强度-应变硬化指数曲线

（d）参数2：试样2-2的屈服强度-应变硬化指数曲线

图11 仪器化锥形压痕的计算模型

（a）有限元模型的模型、网格及边界条件

（b）卸载后的焊缝内部等效塑性应变云图

图12 铝钢异种接头P-h曲线的计算值和实验值

（a）实验1：铝钢异种接头P-h曲线的计算值和实验值

（b）实验2：铝钢异种接头P-h曲线的计算值和实验值

图13 铝钢异种接头P-h曲线的计算值和实验值

图14 铝-钢异种接头的真应力-应变曲线

图15 焊缝铝元素含量的EDS分析

（a）试样1-2

（b）试样2-2

图16 不同区域的P-h曲线

（a）试样1-2不同区域的P-h曲线

（b）试样2-2不同区域的P-h曲线

图17 屈服强度-应变硬化指数曲线

（a）试样1-2的屈服强度-应变硬化指数曲线

（b）试样2-2的屈服强度-应变硬化指数曲线

图18 焊接接头力学性能和铝含量的关系

（a）硬度和屈服强度与铝含量的关系

（b）杨氏模量和应变硬化指数与铝含量的关系

【小结】

研究人员用表示不同铝钢含量的铝钢异种接头研究了化学成分和力学性能。利用压痕实验以及P-h逆计算得到了铝钢异种接头的应力-应变关系。主要结论如下：
（1）压痕法能够得到焊缝的应力-应变关系。
（2）和母材相比，焊缝的强度和硬度有所提高，而杨氏模量和应变硬化指数变化不大。
（3）焊接接头的屈服强度和硬度与铝元素的含量并不成线性关系。铝元素含量对杨氏模量和应变硬化指数影响不大。
（4）不同的焊接速度会导致弹塑性行为发生很大变化，焊接速度减小会使强度提高。铝钢异种接头的屈服强度和硬度的比值约为1.9。

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

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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