超高层结构建筑、桥梁工程、高速列车等国家装备及工程的飞速发展,对重大工程项目零部构件特别是合金构件的精度、耐久度、可靠度及安全性等提出了更高的要求,关键构件的长寿命与耐久性成为重大工程亟待解决的问题。近十年,我国努力将“中国制造”转变为“中国智造2025”,并且已经取得了一定的成效,例如装配式建筑技术、新型盾构机的研制、大飞机生产制造、新型长征火箭的成功发射等,从先前的“可用”,如今正在向“耐用”积极的转变。在土木工程应用中,新兴的工程材料、工程结构已不再追求便宜快捷,良好的工作性能,长寿命与高可靠性成为了新的追求方向。实际工程结构常常面临构件之间的连接问题,焊接作为最高效的连接方式之一,其内部不可避免会引入焊接气孔、夹杂、非均匀组织、几何不连续等缺陷,尽管焊接接头拥有较好的静力学强度,但其疲劳性能往往不佳,导致焊接接头在工程结构中的应用存在较高的疲劳失效的隐患,据统计,90%以上的工程结构失效均由疲劳断裂问题导致,造成巨大的经济损失和人员伤亡。然而,人们对铝合金焊接接头局部力学响应和长寿命疲劳失效机理的认识十分匮乏,导致工程设计缺乏充分的理论与试验支持,因此,焊接接头局部力学问题及其对疲劳失效机制的影响机制研究十分必要。本文首先采用数字图像相关技术,对6061铝合金搅拌摩擦焊接头在疲劳试验中的全场和局部力学性能进行了分析,接头各区域在弹性阶段时发展基本一致,但屈服阶段不同,热影响区首先进入屈服并承担了整个接头的大部分塑性变形,塑性应变的累积主要出现在接头的热影响区,并且应变集中现象随着实验的进行越来越严重,是导致材料疲劳失效的最直接原因。在应力作用下热影响区塑性变形不断积累。而在其他区域,即便加载的应力值超出其屈服极限仍无明显的塑性累积过程。在加载过程中,疲劳断裂发生在热影响区,裂纹萌生于接头表面塑性累积严重区域的表面滑移带,并随之扩展。开展了2024铝合金搅拌摩擦焊接头的超长疲劳寿命实验研究,结果表明,搅拌摩擦焊方法能有效提高2024铝合金焊接接头的疲劳性能,焊接接头各区域力学性能不均匀是引发疲劳裂纹萌生的重要因素;疲劳裂纹的萌生通常出现在缺陷、气孔或夹杂处。无论是从焊接接头次表面处,还是在表面处,疲劳裂纹主要形成于组织结构的缺陷或因加工、环境等因素导致的表面缺陷,直至疲劳失效,接头缺陷引起的应力集中现象是导致疲劳起裂的根本原因,因此热机影响区和焊缝处缺陷成为了接头发生疲劳断裂的主要区域。研究了2024/7075异种铝合金搅拌摩擦焊的超长寿命疲劳强度与失效机制。实验在超声疲劳系统中进行,发现异种焊接接头的疲劳失效方式有所不同,2024/7075异种铝合金焊接接头实验的裂纹扩展区面积较小,而瞬断区域较大。疲劳裂纹出现于2024铝合金一侧的热影响区附近,相对于2024铝合金超长疲劳寿命失效模型,异种材料焊接接头断口表面的塑性变形特征更明显,类似高应力下的疲劳失效行为。硬度测试结果证实2024铝合金侧热影响区是力学性能相对更低的薄弱区域,焊接接头的疲劳失效对局部力学性能的不均匀性非常敏感,优先出现于性能最薄弱的区域,导致接头整体性能得不到充分利用,因此改善接头组织均匀性是提高其疲劳性能的有效思路之一。综上,本文实验研究了铝合金同种材料与异种材料焊接接头的局部力学性能,以及超长寿命疲劳强度、裂纹萌生薄弱区和裂纹扩展形式,发现搅拌摩擦焊方法可有效避免常规熔化焊普遍存在的气孔和热裂纹等缺陷问题,表现出较好的超长寿命疲劳性能。利用搅拌摩擦焊这一新型焊接工艺,扩展了铝合金焊接接头在重大工程结构关键构件的应用范围,研究铝合金焊接接头的力学性能和超长寿命疲劳性能对实际工程焊接结构件的应用和设计,以及焊接接头的寿命评估有重要意义。