摘 要:采用熔化極惰性氣體保護焊焊接了厚度為12mm 的7N01-T5鋁合金板,分析了焊接接 頭的顯微組織,并對焊接接頭進行了拉伸及疲勞試驗。用能譜分析法確定了疲勞條帶間的二次相 為含 Fe相,提出了一種二次相所致的疲勞微裂紋萌生模型,解釋了在疲勞條帶間第二相處的微裂 紋萌生原因。結(jié)果表明:焊接接頭的抗拉強度為259 MPa,延伸率為11.4%,接頭的拉伸斷裂形式 為韌性斷裂和脆性斷裂混合形式;二次相導致的微裂紋會加快疲勞裂紋的擴展速率。

關(guān)鍵詞:鋁合金;熔化極惰性氣體保護焊;顯微組織;疲勞性能

中圖分類號:TG453;TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)02-0030-06

7N01鋁合金具有比強度高、密度低的優(yōu)點,在 高速列車制造業(yè)的車體輕量化中得到廣泛應用[1]。 7N01鋁合金時效過程中析出物的析出順序依次為 過飽和固溶體、GP區(qū)、η'相和η 相[2]。在國內(nèi)目前 的高速列車車體生產(chǎn)中,常采用鎢極惰性氣體保護 焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、激光焊 (LW)和攪拌摩擦焊(FSW)等焊接方法對7N01鋁 合金進行焊接[3]。MIG 因具有操作相對簡單、成本 低的優(yōu)點,被廣泛用于不同尺寸結(jié)構(gòu)的焊接中。

對于高強度鋁合金,其焊接接頭的疲勞行為和疲勞裂紋萌生、擴展等微觀機理成為近年來的研究熱點[4]。目前,國內(nèi)已有許多學者對7N01鋁合金焊接接頭的疲勞性能進行了研究,但大多數(shù)研究都集中于薄板及中薄板(厚度t小于6mm)[5-9],關(guān)于中等厚度(6mm<t<40mm)7N01鋁合金 MIG 焊接接頭疲勞性能的研究較少。國內(nèi)外高速列車承力構(gòu)件大都采用7XXX系鋁合金來制造[10],且會用到中等厚度的7N01鋁合金。關(guān)于鋁合金焊接接頭疲勞損傷的研究,大多集中于裂紋起源階段[4,11-13],對于裂紋擴展階段二次微裂紋的成因?qū)φw疲勞性能影響的研究較少。筆者在7N01鋁合金 MIG 焊接參數(shù)研究的基礎上[14],對12mm 厚的7N01-T5鋁 合金板進行焊接,觀測其焊接接頭的顯微組織,再對 MIG 焊接接頭進行拉伸及疲勞測試,結(jié)果可為中厚 7N01鋁合金中厚板 MIG 焊接接頭的疲勞性能研究 提供試驗依據(jù)及參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

母材為12mm 厚的7N01-T5鋁合金板。焊絲選用的是直徑為1.6 mm 的 ER5356鋁合金,該焊 絲的主要成分為鎂元素。鋁合金母材與焊絲的化學 成分如表1所示(均為實測值)。。

1.2 試驗方法

焊接試 驗 過 程 如 圖 1 所 示,焊 接 試 樣 為 兩 塊 12mm 厚的7N01鋁合金板,采用 MIG 以 X 形坡口 的對接方式焊接,單邊角度為35°。焊接工藝參數(shù)如 表2所示,為保證焊接質(zhì)量,進行焊接時環(huán)境的相對 濕度小于70%,焊前去除板材表面油污和氧化膜。

采用線切割的方式從焊接接頭中截取金相試 樣,先對試樣進行打磨,隨后使用拋光機進行拋光, 直至表面 光 滑,最 后 使 用 Keller試 劑 腐 蝕 試 樣 表 面,使用 VHX-600型超景深顯微鏡觀察焊接接頭 顯微組織。根據(jù)標準 GB/T2651—2008《焊接接頭 拉伸試驗方法》和 GB/T24176—2009《金屬材料疲 勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法》對焊接接頭進行 拉伸和疲勞試驗,拉伸及疲勞試驗試樣尺寸示意如 圖2所示。

所有拉伸及疲勞試驗均在溫度為23℃,相對濕 度為40%的環(huán)境下,采用 HB250型伺服液壓萬能 試驗機進行試驗,其中拉伸試驗以0.1kN/s的加載 速率進行3次試驗,結(jié)果取平均值,疲勞試驗施加 拉-拉正弦波形載荷,頻率為140Hz,應力比為0.1。 拉伸及疲勞試驗結(jié)束后,立即在干燥環(huán)境下采用掃 描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞斷口,避免斷口氧化帶來 的 影 響,所 用 的 設 備 型 號 為 S-3400N 和 TESCAN-VEGA3。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 7N01鋁合金顯微組織形貌

焊縫中心、熔合區(qū)顯微組織形貌和等軸晶形成過 程示意如圖3所示,焊縫中心金屬主要由 ER5356 填 充材料熔化而成,形成了粗大的等軸狀組織,呈雪花 狀。等軸晶的存在說明在焊縫中心發(fā)生了自由結(jié)晶。 焊縫中心的溫度梯度小,受邊緣散熱條件的影響較 小,液相中能形成較寬的成分過冷區(qū),在隨后的冷卻 過程中,新生成的晶粒能夠自由生長,從而呈現(xiàn)等軸 狀[15]。由圖3b)可知,靠近焊縫邊緣有一條很窄的熔 合線,其中分布著許多細小的組織。焊縫邊緣近熔合 線的焊縫組織為取向明顯的柱狀晶,這是因為液態(tài)金 屬依附于金屬間化合物的表面形核,析出與母材未熔 化晶粒取向相同的柱狀晶。在熔合線的左側(cè)可以發(fā) 現(xiàn)存在明顯的聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象。

圖4為焊接熱影響區(qū)及母材的微觀形貌。由 圖4a)可知,靠 近 焊 縫 部 位 的 固 溶 區(qū) 組 織 的 晶 粒 尺寸細小,約為45μm。在焊接熱源作用下,位于 焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)的鎂、鋅元素固溶到鋁基體中, 并在隨后的 快 速 冷 卻 過 程 中 形 成 過 飽 和 固 溶 體, 鎂、鋅元素在 鋁 基 固 溶 體 的 一 定 結(jié) 晶 面 上 偏 聚 并 有序化,從 而 形 成 固 溶 區(qū)。軟 化 區(qū) 內(nèi) 晶 粒 尺 寸 粗 大,約為 75μm。圖 4c)為 接 頭 母 材 的 顯 微 組 織, 母材 組 織 為 細 長 的 軋 制 態(tài) 晶 粒,沿 著 軋 制 方 向 伸長。

2.2 7N01鋁合金 MIG焊接接頭拉伸性能分析

焊接接頭、熱影響區(qū)和母材的拉伸試驗結(jié)果如 圖5所示。由圖5可知,焊接接頭的抗拉強度遠低 于 母 材 的 抗 拉 強 度,焊 接 接 頭 的 抗 拉 強 度 為 259MPa,屈服強度為137 MPa,延伸率為11.4%, 接頭塑性較好。

圖6為焊接接頭拉伸斷口微觀形貌,從圖中可 以觀察到大量形狀較為規(guī)則,形貌差別不大的韌窩, 這些韌窩的尺寸約為10μm,為標準的等軸韌窩。 焊接接頭在拉伸正應力下,試樣總變形與局部區(qū)域 變形的不一致使材料內(nèi)部分離形成顯微孔洞,并在正應力的作用下逐漸長大。在隨后的拉伸過程中, 顯微孔洞受到橫向的剪切應力并發(fā)生滑移,相鄰孔 洞之間的基體橫截面積不斷縮小,出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象,最 后斷開使得孔洞相連。當越來越多的孔洞彼此相連 圖6 焊接接頭拉伸斷口微觀形貌 后,試樣便發(fā)生斷裂[16]。在圖6中還可以觀察到一 些二次裂紋,這些二次裂紋的萌生位置集中在斷口 的解理臺階處,由于拉應力的大部分能量都提供給 主裂紋擴展,因此這些二次裂紋在萌生之后沒有擴 展。由圖6可知,接頭斷口分布著大量的韌窩,其中 還摻雜著部分解理臺階和二次裂紋,解理臺階為脆 性斷裂的典型特征[16],由此可以判斷7N01鋁合金 MIG 焊接接頭的拉伸斷裂形式為韌窩為主的韌性 斷裂和兼有少量脆性斷裂的韌脆混合形式。

2.3 7N01鋁合金 MIG焊接接頭疲勞性能分析

圖7為焊接接頭疲勞試驗斷裂截面宏觀形貌。 由圖7可知,裂紋位于焊縫區(qū)域,說明焊縫為接頭的 最薄弱處,這與硬度試驗結(jié)果相符。疲勞壽命 N 與 應力幅S 之間的聯(lián)系,可用式(1)來表達。

式中:C 為第一次循環(huán)時材料的疲勞強度因子;k 為 疲勞強度因子。

對式(1)兩邊取對數(shù),可以得到

根據(jù)得到的疲勞試驗數(shù)據(jù),利用 ORIGIN 軟件對 疲 勞試驗數(shù)據(jù)進行擬合,擬合曲線如圖8所示,所得曲線對應的擬合公式分別如式(3)和式(4)所示。

由圖8可知,隨著應力幅的降低,7N01鋁合金 母材及焊接接頭的疲勞壽命明顯增加。母材的k 值小于焊接接頭的,這說明隨著應力幅的增加,焊接 接頭疲勞壽命下降得更快。

圖9為7N01鋁合金焊接接頭疲勞斷口的微觀 形貌。由圖9a)可知,接頭裂紋源區(qū)無明顯導致裂紋 萌生的缺陷,根據(jù)其放射性條紋可以推斷,疲勞裂紋 萌生于表面處,并向內(nèi)部擴展。在試樣斷口表面有很多較為平坦的準解理面,小平面之間以撕裂方式相 接,因此判斷接頭的斷裂方式以準解理斷裂為主。

從圖9可以觀察到疲勞條帶表面光滑且相互平 行,疲勞條帶間分布著較多二次相和微裂紋,二次相 形貌呈白色顆粒狀,直徑約為2.5μm。對圖9c)中 的二次相進行能譜分析,結(jié)果表明該相為含 Fe相。 LIN 等[17]認為含 Fe相為硬脆易碎相,在疲勞裂紋 擴展過程中易發(fā)生破碎,從而誘發(fā)微裂紋的萌生,微 裂紋會增大疲勞裂紋的擴展速率,從而縮短試樣的 疲勞壽命。圖9d)為瞬斷區(qū)的微觀形貌,可以清晰 地觀察到大小不一的等軸韌窩。韌窩底部存在二次 相,這些二次相是產(chǎn)生韌窩的主要原因。

2.4 疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)微裂紋萌生及擴展分析

疲勞條帶間圍繞二次相的微裂紋形貌如圖10 所示,該微裂紋的長度約為2μm。根據(jù)圖中單個疲 勞條帶的寬度和式(5)可以推斷出疲勞裂紋擴展速 率[18]。

式中:vs,L 和t分別為疲勞裂紋的穩(wěn)定擴展速率、 單個疲勞條帶的寬度和疲勞循環(huán)時間。

在循環(huán)載荷的作用下,二次相對位錯運動具有 一定的釘扎作用,當釘扎作用超過一定范圍時,二次 相與周圍基體產(chǎn)生裂紋[19]。

二次相所致裂紋的萌生機理如圖11所示。在 第一階段,位錯線在循環(huán)載荷的作用下不斷運動;在 第二階段,由于二次相對位錯運動的釘扎作用,位錯 線遇到二次相時發(fā)生部分彎曲;在第三階段,位錯線 與二次相剛開始接觸時,位錯線在二次相周圍僅發(fā) 生部分變形。隨著循環(huán)載荷的加載,位錯線發(fā)生劇 烈彎曲,最后位錯線在二次相周圍首尾相接,形成一 個包圍二次相的位錯環(huán)。

3 結(jié)論

(1)中厚板7N01鋁合金 MIG 焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織以等軸晶為主;熔合區(qū)的顯微組織為取 向明顯的柱狀晶;熱影響區(qū)晶粒尺寸較為粗大,形貌 與母材軋制態(tài)組織相似。

(2)12mm 厚7N01鋁合金 MIG 焊接接頭、熱 影響區(qū)及母材的抗拉強度分別為259,356,402MPa。 其中接頭的延伸率為11.4%,塑性較好。通過拉伸 斷口分析可以判斷接頭拉伸斷裂形式為韌脆混合 形式。

(3)通過對疲勞試驗擬合曲線的分析,發(fā)現(xiàn)隨 著應力幅的降低,中厚板7N01鋁合金母材及焊接 接頭的疲勞壽命明顯增加,隨著應力幅的增加,焊接 接頭疲勞壽命下降得更快。

(4)微裂紋會加速疲勞裂紋的擴展。在疲勞斷 口的裂紋穩(wěn)定擴展區(qū),疲勞條帶間存在二次相,進而 提出了因二次相導致的微裂紋萌生模型。當位錯環(huán) 聚集所引起的應力超過一定范圍時,會在二次相與 材料基體交接的應力集中處產(chǎn)生微裂紋。