TA15鈦合金電子束焊接接頭不同區(qū)域的疲勞裂紋擴展行為研究

李行志, 胡樹兵, 肖建中, 王亞軍, 李清華, 籍龍波

(1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,武漢 430074;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

TA15鈦合金電子束焊接接頭不同區(qū)域的疲勞裂紋擴展行為研究

李行志1, 胡樹兵1, 肖建中1, 王亞軍2, 李清華1, 籍龍波1

(1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,武漢 430074;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

對TA15電子束焊接接頭的熔凝區(qū)和熱影響區(qū)的顯微組織、硬度、疲勞裂紋擴展速率、以及疲勞斷口形貌進行了研究。結(jié)果表明:熔凝區(qū)的顯微組織主要為粗針狀 α′馬氏體組織,熱影響區(qū)組織為 α′馬氏體組織 +條片狀的α相和β相,由接近熔凝區(qū)組織向母材組織過渡。母材的硬度較低,熔凝區(qū)平均硬度最高,熱影響區(qū)的硬度介于兩者之間。疲勞裂紋擴展速率高低與其顯微組織密切相關(guān),含塑性較好的片狀 α相較多的熱影響區(qū)比熔凝區(qū)有較高的裂紋擴展抗力。

TA15鈦合金;電子束焊接;顯微組織;疲勞裂紋擴展

鈦合金以其低密度、高的比強度、耐腐蝕性以及可焊接性等優(yōu)異的性能在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、船舶制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1～3]。TA15是一種高鋁含量的近 α型鈦合金,具有良好的綜合力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能以及焊接和加工性能,在航空航天結(jié)構(gòu)件中有大量應(yīng)用。電子束焊接具有能量密度大、熱輸入小、焊接速度快,變形小等優(yōu)點,特別是具有較大的焊縫深寬比,非常適合于厚板鈦合金的焊接加工。因此,在對鈦合金的焊接質(zhì)量要求較高的航空航天等工業(yè)中,電子束焊接已成為一種非常重要的手段。有關(guān)鈦合金焊接接頭的疲勞壽命和疲勞強度的特性已有所研究[4,5],但關(guān)于電子束焊接接頭不同區(qū)域的疲勞裂紋擴展速率及擴展特點的研究尚不多見[6]。本研究從組織、顯微硬度以及斷口形貌等方面對 TA 15鈦合金電子束焊接接頭的兩個重要的區(qū)域:熔凝區(qū)和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率進行了比較和分析討論。

1 實驗方法

實驗采用 TA 15鈦合金鍛制厚板,厚度為45mm,其主要成分如表 1所示。利用電子束沿垂直于鍛造方向進行焊接,接頭形式為對接拼焊。焊接加速電壓 150kV,聚焦電流 2174mA,電子束流92mA,焊接速度為 300mm/min。焊后進行真空650℃,4h的去應(yīng)力退火處理,消除焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

表1 TA15鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 The composition of TA 15 titanium alloy(mass fraction/%）

沿垂直于焊接方向截取疲勞試樣板材,然后去除焊縫的頭部和尾部,取其中間部位作為疲勞試樣,試樣規(guī)格如圖 1所示。將疲勞試驗打磨拋光,用腐蝕劑 (HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7）腐蝕焊接接頭部位,利用線切割加工分別在熔凝區(qū)(FZ）和熱影響區(qū)(HAZ）開 0.5mm深的缺口。疲勞試驗在 Shimadzu EA-10試驗機上進行,利用放大倍數(shù)為 60倍的數(shù)字顯微鏡測量疲勞裂紋長度。試樣夾持時保證預(yù)開缺口處于試樣自由部分的中央。疲勞試驗條件為室溫空氣狀態(tài),施加最大應(yīng)力為 380MPa,采用載荷控制的正弦波,應(yīng)力比 0.1,頻率為 5Hz。

顯微硬度在 DHV-1000顯微硬度儀上測定,采用Olympus金相顯微鏡進行組織觀察,在 Sirion 200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FSEM）下觀察疲勞試樣斷口。

圖1 疲勞試樣尺寸示意圖(mm）Fig.1 Schematic illustration of the fatigue specimens(mm）

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭顯微組織及硬度

TA15電子束焊接后,經(jīng)真空退火后的金相組織分別如下圖 2～4所示。其中母材(BM）的組織為大量長條片狀的 α相和少量的 β相。在焊接接頭的熔凝區(qū)(FZ）,由于電子束的高能量密度,總的熱輸入較小,冷卻速率較快,熔凝區(qū)的溫度超過鈦合金的熔化溫度,凝固后形成晶粒非常粗大的 β柱狀晶粒;因冷卻速率較快,在 β相轉(zhuǎn)變溫度以下,在 β柱狀晶粒內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮尼槧瞀?鈦馬氏體相。熱影響區(qū)的溫度介于熔化溫度和 β相轉(zhuǎn)變溫度之間,由于存在溫度梯度,從而該區(qū)域在冷卻過程中形成了梯度式過渡組織。接近熔凝區(qū)地方,熱影響區(qū)組織中含有更多的α'馬氏體相;靠近母材的地方,含有較多的條片狀 α相,其晶粒粗大程度也介于焊縫熔凝區(qū)和母材之間。但相比其他普通的焊接方式,電子束焊接的熱影響區(qū)更為狹窄[7]。

圖2 TA 15母材顯微組織金相圖Fig.2 Them icrostructure of TA 15 BM

沿垂直于焊縫方向測得的典型焊接接頭的顯微硬度分布曲線如圖 5所示。圖中測試結(jié)果表明焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微硬度由高到低。熔凝區(qū)的平均硬度最高,而母材的平均硬度最低。主要是因為焊縫中為 α′馬氏體相,比母材中條片狀的 α相有更高的硬度。研究表明[8],有較高硬度的焊縫區(qū),其強度也較高,但塑性低于母材。而母材的強度雖然稍低,但有較好的塑性。熱影響區(qū)的強度和塑性介于焊縫和母材之間。這與各區(qū)域的組織及其相的組成密切相關(guān)。

2.2 焊接接頭不同區(qū)域的疲勞擴展速率

疲勞試樣分別開缺口于熱影響區(qū)和熔凝區(qū)中央,標記為 A和 B。疲勞擴展速率 da/dN與應(yīng)力強度因子幅 ΔΚ的關(guān)系曲線見圖 6,在圖中兩種標記分別表示為兩種試樣 A和 B的 da/dN-ΔK曲線。從圖 6中可以看出,在裂紋擴展的初始階段,A和 B擴展速率均較小,為 10-9級別。但在一個極小的ΔK變化范圍內(nèi),疲勞裂紋擴展速率迅速加快。在此初始階段,A和 B的裂紋擴展速率差別不大,B試樣的擴展速率略大于 A。進入較快的中速擴展階段,裂紋擴展速率增大為 10-8以上。在此階段,B試樣的曲線位于 A試樣的上方,表明其裂紋擴展速率更大。這個階段占據(jù)裂紋整個擴展過程的比重很大。當裂紋擴展速率達到 10-6級時,裂紋長度增大較快,達到失穩(wěn)擴展的臨界長度以上,試樣因裂紋失穩(wěn)擴展而迅速斷裂。從兩者的 da/dN-ΔK曲線上可以清楚看到,若在同樣的應(yīng)力強度因子幅 ΔK下,A相對 B有更低的裂紋擴展速率。這表明本研究中對于 TA15的電子束焊接接頭來說,其熱影響區(qū)比熔凝區(qū)有更好的抵抗裂紋擴展的能力。這與熱影響區(qū)的組織含有較多塑性較高的條片狀的 α相,而熔凝區(qū)為塑性較低的粗針狀 α′馬氏體相有關(guān)。

2.3 疲勞斷口形貌分析

對 A和 B試樣的疲勞斷口在場發(fā)射掃描電鏡(SEM）下觀察。疲勞裂紋均由預(yù)開缺口根部萌發(fā)和擴展,可能存在多個疲勞裂紋的萌生點。在萌生點附近可以清楚的看到放射的河流狀花樣,如圖7a,b所示。在疲勞裂紋擴展的初期階段,在 A和 B試樣的疲勞斷口上可見的疲勞條帶間距均很小,兩者差別不大,如圖 8a,b所示。這表明在此時較低的應(yīng)力強度因子幅 ΔK下,裂紋擴展速率較小,對應(yīng)于圖 6曲線的左端。圖 8b,圖 9b中均可以見到較多二次裂紋的產(chǎn)生,二次裂紋的形成和擴展消耗了更多能量,能降低疲勞裂紋擴展速率。在圖 8a中,裂紋的擴展方向與疲勞載荷的方向成一定的夾角,導(dǎo)致有效的疲勞應(yīng)力減小,因此,也降低了裂紋的擴展速率。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,裂紋長度增大,應(yīng)力強度因子幅 ΔK升高,疲勞裂紋擴展速率也隨之增大,進入快速擴展階段。如圖 9中的疲勞

圖6 焊接接頭不同區(qū)域的 da/dN-ΔK曲線圖(A:熱影響區(qū);B:熔凝區(qū)）Fig.6 The da/dN-ΔK graph of different zones in welded joint(A:HAZ;B:HZ）

圖9 裂紋快速擴展階段的疲勞條帶SEM形貌 (a）(a）熱影響區(qū);(b）熔凝區(qū)Fig.9 SEM fractographs at the period of rapid crack propagation (a）HAZ;(b）FZ

圖10 熔凝區(qū)疲勞裂紋擴展中產(chǎn)生較大臺階花樣的SEM圖Fig.10 The step design created in the FZ crack propagation by SEM

條帶間距相比圖 8中的明顯加大,間距越大,表明裂紋擴展速率也大。圖 9a中的疲勞條帶間距明顯小于圖 9b的,說明 A試樣較 B試樣有更小的裂紋擴展速率,即熱影響區(qū)相比熔凝區(qū)有更高的疲勞裂紋擴展阻力。因此,對應(yīng)于圖 6曲線的中部,A的數(shù)據(jù)點多位于 B的下部。疲勞擴展速率的大小與其內(nèi)部組織是密切相關(guān)的,圖 3中可以看到初始凝固形成的粗大的 β柱狀晶邊界以及在其內(nèi)部的粗針狀 α′馬氏體,而熱影響區(qū)為條片狀 α相和少量的β相,以及針狀 α′馬氏體的混合組織,晶粒較焊縫的更為細小。這種塑性相對較好的片狀 α相有更高的抵抗疲勞裂紋擴展的能力,裂紋向前擴展時受到 α片層更大的阻礙,裂紋擴展路徑較曲折而且產(chǎn)生較多的二次裂紋使得裂紋擴展速率較低。文獻[6]研究也表明:相對于焊縫而言,熱影響區(qū)在裂紋擴展過程中存在較多的二次裂紋。晶粒間的取向不同將導(dǎo)致裂紋走向在擴展過程中產(chǎn)生更多的偏轉(zhuǎn),降低擴展速率。如圖 8a中 A試樣裂紋擴展方向與疲勞載荷的方向若記為正向夾角,則在圖 9a中兩者之間為反向夾角。表明熱影響區(qū)中裂紋擴展方向的偏轉(zhuǎn)更大,更加多變。熔凝區(qū)的粗大的晶粒導(dǎo)致疲勞裂紋在不同平面間的擴展過程中產(chǎn)生較大的疲勞臺階花樣,如圖 10所示。

3 結(jié) 論

(1）TA 15鈦合金電子束焊接接頭熔凝區(qū)組織為由粗大的β柱狀晶轉(zhuǎn)變的粗針狀α'馬氏體組織,母材為條片狀的 α相和少量的 β相,熱影響區(qū)組織為 α′馬氏體組織 +條片狀的 α相和 β相,由接近熔凝區(qū)組織向母材組織的過渡。

(2）焊接接頭附近,母材的硬度較低,熔凝區(qū)平均硬度最高,熱影響區(qū)的硬度介于兩者之間。

(3）焊縫區(qū)的疲勞裂紋擴展速率高于熱影響區(qū),擴展速率高低與其顯微組織密切相關(guān),含塑性較好的條片狀 α相較多的熱影響區(qū)有較高的裂紋擴展抗力。

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Study on Fatigue Crack Propagation in Different Zones of TA15 Electron Beam Welded Joint

LIXing-zhi1,HU Shu-bing1,XIAO Jian-zhong1,WANG Ya-jun2,LIQing-hua1,JILong-bo1
(1.State Key Laboratory of Material Processing and Die＆ Mould Technology,Huazhong University of Science＆Technology,Wuhan 430074,China;2.Beijing Institute of AeronauticalMaterials,Beijing100095,China）

Themicrostructure,hardness,fatigue crack propagation and fatigue fractograph in the fusion zone(FZ）and heat affection zone(HAZ）of TA15electron beam welded(EBW）jointwere studied in this paper.The results indicate that themicrostructure in FZ is characterized by bulky aciculatemartensite,and in HAZ,themicrostructure is composed ofα'martensite+lamellarαandβ.That is,it shows a transition from FZ to basematerial(BM）.The hardness of FZ is largest,thatof BM is the lowest,and HAZ with between them.The fatigue crack propagation rate is closely relative with their microstructure.The HAZ containingmore plastic lamellarαexhibits a better resistance to the fatigue crack propagation than FZ.

TA 15 titanium;electron beam weld(EBW）;m icrostructure;fatigue crack propagation

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.010

TG146.2

A

1005-5053(2010）01-0052-05

2009-10-12;

2009-12-08

李行志(1976—）,男,博士研究生,(E-mail）li_xingzhi@163.com

胡樹兵,男,教授,(E-mail）hushubing@163.com。