异种铝合金双面搅拌摩擦焊接头混合模式I/II裂纹扩展行为研究及其结构安全性提升

本文创新性地采用紧凑拉伸剪切(CTS)试样，结合Richard夹具和原位数字显微技术，系统研究了AA2024-AA7075异种铝合金双面搅拌摩擦焊(FSW)接头在混合模式I/II载荷（0°-60°）下的疲劳裂纹扩展(FCG)行为。研究发现较高加载角度（60°）使疲劳寿命提升至～36,500次循环，通过Paris定律拟合获得材料常数，电子背散射衍射(EBSD)证实焊核区连续动态再结晶(CDRX)形成的高角度晶界和强织构(Goss/P/Cube)显著提升抗裂性，为焊接结构安全评估提供了新方法。

　　

理论框架

本节系统阐述：(1)混合模式载荷下Paris定律的适应性修正，(2)Richard等效应力强度因子(K_eq)模型，以及(3)裂纹扩展路径的数值计算方法与实验验证流程。如图1(d)所示示意图清晰呈现了K_eq与K_I、K_II及加载角α的关联机制，同时标注了混合模式加载下的疲劳损伤区间；图1(e)则展示了Richard夹具的力学构型。

实验方法

采用线切割(ECO 25型电火花机床)将采购的AA7075/AA2024铝合金板材(6mm厚)加工成240×50×6mm坯料，具体化学成分与力学性能参见前期研究[45]。如图1(a)所示，在改装铣床上进行双面搅拌摩擦焊(FSW)，通过特殊设计的夹具系统实现混合模式加载，并创新性采用旅行显微镜实时监测裂纹（传统COD计不适用于混合模式条件）。

宏观结构观察

图5(a,b)显示双面焊接接头呈现典型的"洋葱环"形貌，搅拌区(SZ)因工具旋转产生剧烈塑性变形，形成由摩擦热和剪切应变诱导的连续动态再结晶(DRX)细晶组织。椭圆形焊核区(图5(a))的形貌特征反映了工具几何形状与热机械耦合效应的综合作用。

疲劳断口分析

图16-17展示了不同加载条件下的断口形貌：图16中(a)线切割缺口、(b)预裂纹萌生区、(c)可见疲劳辉纹的裂纹扩展区、(d)断裂起始区及(e)纯I型试样的最终断口。由于材料延展性，裂纹扩展区(图16(c))出现典型疲劳条纹。值得注意的是，混合模式加载下裂纹扩展速率(FCGR)呈现明显的角度依赖性，60°加载时裂纹偏转现象尤为显著。

结论

基于Richard机制开发的创新夹具成功实现了CTS试样混合模式断裂行为研究。实验测量的裂纹偏转角与最大切向应力(MTS)、应变能密度(SED)等理论预测高度吻合。原位裂纹观测与断后分析的强相关性，验证了变角度加载条件下裂纹评估方法的可靠性。宏观结构分析证实双面FSW有效消除了传统单面焊的根部缺陷，EBSD揭示的CDRX细晶组织与强织构成分(Goss/P/Cube)共同提升了接头抗裂性能。