超聲沖擊對(duì)鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究現(xiàn)狀

何柏林

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

超聲沖擊對(duì)鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究現(xiàn)狀

何柏林

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

概述了鎂合金及鎂合金焊接接頭疲勞性能?chē)?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了目前鎂合金焊接接頭疲勞性能研究存在的問(wèn)題與不足，最后分析了提高鎂合金焊接接頭疲勞性能和疲勞壽命的研究趨勢(shì)。超聲沖擊方法不僅可以有效地降低焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，降低接頭的殘余拉伸應(yīng)力，甚至在焊接接頭表面造成殘余壓應(yīng)力，還可以細(xì)化焊縫及其附近區(qū)域的顯微組織，甚至達(dá)到表面納米化組織，該方法對(duì)提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能和疲勞壽命具有很大的作用。

鎂合金，焊接接頭，疲勞性能，超聲沖擊

鎂是所有結(jié)構(gòu)用金屬及合金材料中密度最低的。與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及鎂合金具有比強(qiáng)度、比剛度高、減震性、電磁屏蔽和抗輻射能力強(qiáng)，易切削加工，易回收等優(yōu)點(diǎn)[1-6]，在汽車(chē)、電子、電器、交通、航天、航空和國(guó)防軍事工業(yè)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。是繼鋼鐵材料、鋁合金之后的第三類(lèi)金屬結(jié)構(gòu)材料，并被稱(chēng)為21世紀(jì)的綠色工程材料。目前，鎂及鎂合金材料的研究成為世界性的熱點(diǎn)。但是，由于鎂合金具有性質(zhì)活潑、熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱快、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)[7]，與鋁合金相比，鎂合金在焊接時(shí)更易形成疏松、熱脆性較大的氧化膜及夾渣，其焊接性較差[8]，鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度較低[9-10]，成為制約鎂合金大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。大量統(tǒng)計(jì)資料[11]表明，由于疲勞引起的焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故占總斷裂失效事故的90%左右。焊接接頭附近區(qū)域存在應(yīng)力集中、殘余拉伸應(yīng)力和焊接缺陷是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要因[12]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鎂合金焊接方面的研究還主要集中在鎂合金材料的焊接方法、焊接性能、工藝性能以及常規(guī)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，有關(guān)鎂合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度及疲勞性能研究較少，疲勞數(shù)據(jù)相當(dāng)缺乏。因此，如何提高鎂合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度與疲勞性能，對(duì)增加鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，促進(jìn)鎂合金結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用具有重大的推進(jìn)作用。

與傳統(tǒng)的粗晶粒材料相比，納米以及超細(xì)晶粒材料通常具有獨(dú)特的力學(xué)性能，如超高強(qiáng)度、高硬度和高疲勞性能等。最近，表面納米化已引起國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是今后幾年內(nèi)納米材料研究領(lǐng)域最有可能取得實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)之一。本文概述了鎂合金及鎂合金焊接接頭疲勞性能?chē)?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前鎂合金焊接接頭疲勞性能研究存在問(wèn)題與不足，最后提出了提高鎂合金焊接接頭疲勞性能和疲勞壽命的研究趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前有關(guān)鎂合金疲勞問(wèn)題的研究報(bào)道主要集中在疲勞裂紋的萌生與疲勞裂紋的擴(kuò)展行為、循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為、S-N曲線(xiàn)、ε-N曲線(xiàn)等。張華等[13]在研究3種快速凝固鎂合金的疲勞行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)變幅加載的條件下，3種鎂合金都表現(xiàn)為初始循環(huán)軟化，而后則表現(xiàn)為持續(xù)周期很長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定，在最終斷裂之前，又發(fā)生快速的循環(huán)軟化、微觀(guān)疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴(kuò)展與合并，可形成一條或多條宏觀(guān)裂紋，引起鎂合金力學(xué)性能的下降，致使合金發(fā)生循環(huán)軟化直至斷裂。在不同應(yīng)變幅下的疲勞斷口的形貌是相似的，即在宏觀(guān)上呈現(xiàn)脆斷特征，在微觀(guān)上表現(xiàn)為脆性與韌性的混合斷裂。Eisenmeier等[14]在研究壓鑄鎂合金的疲勞性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋常常萌生于表面或次表面的氣孔處。Mayer等[15]采用在一定循環(huán)周次后停機(jī)，用SEM（Scanning Electron Microscope）對(duì)相應(yīng)的疲勞試樣的表面復(fù)型進(jìn)行觀(guān)察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在控制應(yīng)變的條件下，疲勞裂紋的擴(kuò)展是通過(guò)小裂紋的合并進(jìn)行的。疲勞裂紋既可以沿著枝晶區(qū)域擴(kuò)展，也可以直接穿過(guò)枝晶區(qū)擴(kuò)展，主要取決于鎂合金的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)。在較小的壓應(yīng)力作用下，疲勞裂紋會(huì)發(fā)生閉合，在小的拉應(yīng)力作用下，疲勞裂紋則會(huì)張開(kāi)。Wang等[16]在研究鑄態(tài)AM50合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，在疲勞應(yīng)力作用下，疲勞裂紋將萌生在α-Mg基體相的晶界處，而后疲勞裂紋沿著α-Mg與共晶體之間的界面擴(kuò)展，但并不會(huì)貫穿整個(gè)α-Mg晶粒尺寸，當(dāng)外加疲勞載荷接近或者超過(guò)合金的屈服強(qiáng)度時(shí)，由于晶界滑移將會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生二次裂紋。Nan等[17]在研究擠壓態(tài)AZ31鎂合金的高周疲勞性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，在疲勞過(guò)程的變形初期，疲勞裂紋優(yōu)先在Mg12Al17晶粒處萌生，隨后以I型和Ⅱ型復(fù)合模式穿晶擴(kuò)展。高洪濤等[18]在研究鎂合金疲勞強(qiáng)度與疲勞性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力幅略高于材料的疲勞極限時(shí)，裂紋擴(kuò)展會(huì)受到晶界的阻礙作用，出現(xiàn)非平面滑移，將會(huì)導(dǎo)致斷裂面兩側(cè)晶體的高度差異顯著增大；當(dāng)疲勞循環(huán)周次達(dá)到使裂紋端部積聚的能量達(dá)到足以克服晶界的阻礙作用時(shí)，疲勞裂紋就可以穿過(guò)晶界向相鄰晶粒中擴(kuò)展，非平面滑移積聚在晶界處的能量將得到釋放，導(dǎo)致斷裂面兩側(cè)晶體間的高度差異顯著減小，此時(shí)，由于疲勞裂紋開(kāi)始的時(shí)候以I型模式擴(kuò)展，裂紋寬度迅速增大。在全反向加載的條件下，如果疲勞裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子較小，晶界及原有的第二相粒子將阻礙裂紋的擴(kuò)展，疲勞裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中將避開(kāi)枝晶間區(qū)域，而是在成分相對(duì)比較均勻的枝晶內(nèi)部擴(kuò)展，并形成清晰的疲勞條紋；如果疲勞裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子較大，第二相粒子的破碎以及夾雜物與基體之間的分離將形成疲勞裂紋擴(kuò)展的有利通道，疲勞裂紋將沿著枝晶間區(qū)域擴(kuò)展，并在斷口上形成鋸齒狀條紋。

目前，鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究鮮有報(bào)道，大部分研究是在探討鎂合金焊接工藝方法的過(guò)程中才提及的。Cavaliere[19]等研究了AZ91鎂合金攪拌摩擦焊（FSW）焊接接頭的疲勞性能，認(rèn)為經(jīng)過(guò)攪拌摩擦焊后，材料原有的鑄造缺陷得到有效消除，降低了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，提高了焊接接頭的疲勞壽命；Tsujikawa Masato等[20]研究了AZ31和AZ61的攪拌摩擦焊和TIG焊焊接接頭的疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，AZ31鎂合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度可以達(dá)到母材金屬的80%左右，AZ61鎂合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度可以達(dá)到母材金屬的60%，兩種材料焊接接頭的疲勞斷口都呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，焊接接頭的顯微組織顯著地影響著疲勞裂紋的擴(kuò)展方向；Mohlfahrt等[21]研究了厚度為1.35～5.0 mm的AZ31和AZ61兩種鎂合金的MIG焊接頭的疲勞性能，其研究結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中的結(jié)論有較大差異，得到的焊接接頭的疲勞性只能達(dá)到母材的50%，通過(guò)強(qiáng)化處理能達(dá)到母材強(qiáng)度的75%；Draugelates等[22]采用非中空電子束焊接鎂合金，試驗(yàn)結(jié)果表明，得到了令人滿(mǎn)意的接頭疲勞強(qiáng)度。

細(xì)化晶粒是提高金屬?gòu)?qiáng)度和韌性的有效手段之一。金屬表面自身納米化是由LuKe等[23]率先提出的，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種特殊的表面強(qiáng)化技術(shù)。它采用沖擊機(jī)械能使金屬材料表面產(chǎn)生大塑性變形，從而細(xì)化表層金屬組織，提高表面層的強(qiáng)度。與其它納米材料制備方法不同的是，材料表面自身納米化采用常規(guī)表面處理技術(shù)或?qū)Ρ砻嫣幚砑夹g(shù)進(jìn)行改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)。表面納米化材料的組織沿厚度方向呈梯度變化，在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生剝層和分離。

張金旺等[24]采用超聲噴丸處理AZ31鎂合金TIG焊焊接接頭，研究結(jié)果表明，AZ31鎂合金母材的疲勞強(qiáng)度為57.8 MPa，角焊縫接頭和十字接頭的疲勞強(qiáng)度分別為20.0 MPa和17.2 MPa（2×106周次）。兩種焊接接頭在超聲噴丸處理后的的疲勞強(qiáng)度分別為30.3 MPa和24.7 MPa，疲勞強(qiáng)度分別提高了51.5%和43.6%，載荷在40 MPa時(shí)的疲勞壽命比未沖擊的試樣壽命分別提高了2.74倍和1.05倍。文獻(xiàn)[25]指出：細(xì)化晶粒相當(dāng)于減小了位錯(cuò)平均滑移距離，減小了在晶界上位錯(cuò)塞積所引起的應(yīng)力集中，有利于抑制裂紋的萌生。此外，由于塑性變形表面納米化層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，可抵消掉部分或全部拉應(yīng)力，減小裂紋擴(kuò)展速率，從而改善金屬材料抗疲勞性能。霍立興等[26]對(duì)幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對(duì)接和十字接頭實(shí)施沖擊處理，進(jìn)行了焊態(tài)與沖擊態(tài)的彎曲與拉伸兩種加載方式的疲勞對(duì)比試驗(yàn)，分別獲得了沖擊處理前后的σ-N曲線(xiàn)及條件疲勞極限（2×106周次），結(jié)果表明，超聲沖擊處理后，Q235B對(duì)接接頭條件疲勞極限（2×106周次）提高了57%（拉伸），十字接頭（4點(diǎn)彎曲）提高了64%。16Mn對(duì)接接頭條件疲勞極限（2×106周次）提高了90%（拉伸），十字接頭（拉伸）提高了67%。何柏林等[27]對(duì)AZ91D鎂合金進(jìn)行超聲沖擊處理，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)超聲沖擊強(qiáng)化處理，樣品表面的晶粒得到明顯細(xì)化，在超聲沖擊時(shí)間分別為20，30，50 min時(shí)，AZ91D鎂合金表面劃痕硬度分別提高了7.2%，16.96%，28.90%，磨損2 min和5 min的耐磨性分別提高了39.63%和37.56%。

Ovid’ko IA[28]對(duì)納米晶材料的變形與擴(kuò)散模型進(jìn)行了研究，探討了晶格位錯(cuò)滑移、晶界滑移、晶界擴(kuò)散蠕變、旋轉(zhuǎn)滑移等因素之間的相互影響，建立了納米晶材料的變形與擴(kuò)散模型。

Hanlon T等[29]采用平均晶粒尺寸小于100 nm的納米晶材料、100～1 000 nm的微納米晶材料以及微米晶材料，探討了晶粒細(xì)化對(duì)摩擦損傷和滑動(dòng)接觸疲勞損傷的影響，結(jié)果表明，納米晶材料不僅能夠很好地抵抗摩擦損傷和滑動(dòng)接觸疲勞損傷，而且表面的磨擦系數(shù)較微納米晶材料以及微米晶材料小很多。細(xì)化晶粒和強(qiáng)度提高都增強(qiáng)了材料表面抵抗摩擦損傷和滑動(dòng)接觸疲勞損傷的能力。

2 鎂合金焊接接頭疲勞性能研究存在的不足與研究趨勢(shì)

2.1 存在的不足之處

鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究仍處于初級(jí)階段。主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1）鎂合金疲勞性能與其微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系研究的不深入、不系統(tǒng)。目前，對(duì)傳統(tǒng)的體心立方金屬（鐵）和面心立方金屬（鋁）的疲勞性能研究已相當(dāng)深入，但有關(guān)密排六方金屬鎂及其合金的疲勞性能方面的研究還相當(dāng)缺乏。因此，應(yīng)針對(duì)鎂合金疲勞變形的微觀(guān)機(jī)制、疲勞變形誘發(fā)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的演化以及與鎂合金疲勞行為之間的關(guān)系，位錯(cuò)、孿晶在鎂合金疲勞變形及斷裂過(guò)程中的作用等方面開(kāi)展系統(tǒng)的研究工作。

2）因?yàn)楹附咏宇^疲勞性能的測(cè)試相對(duì)比較麻煩，因而在未來(lái)的研究中要求提高疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度或準(zhǔn)確性，疲勞數(shù)據(jù)系統(tǒng)化，建立鎂及其合金疲勞性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）各種表面強(qiáng)化技術(shù)提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能與疲勞壽命的機(jī)理研究很少，特別是鎂合金焊接接頭超聲沖擊表面納米化機(jī)理、超聲沖擊對(duì)焊接接頭疲勞失效機(jī)理的影響的研究才剛剛起步。

2.2 研究趨勢(shì)

影響焊接接頭疲勞性能的因素很多，主要有焊接接頭的應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和接頭的組織、焊接缺陷等。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度在很大程度上取決于構(gòu)件的應(yīng)力集中情況，不合理的接頭形式和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的各種缺陷是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。超聲沖擊方法不僅可以有效地降低焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，降低接頭的殘余拉伸應(yīng)力，甚至在焊接接頭表面造成殘余壓應(yīng)力，還可以細(xì)化焊縫及其附近區(qū)域的顯微組織，甚至達(dá)到表面納米化組織，對(duì)提高焊接接頭的疲勞性能和疲勞壽命具有很大的作用。國(guó)內(nèi)有研究者采用超聲沖擊方法已在鋼材焊接接頭表面獲得了納米化組織，鎂合金的強(qiáng)度比鋼材要小得多，可以實(shí)現(xiàn)焊接接頭表面超聲沖擊納米化。因此，通過(guò)改變超聲激勵(lì)電流、沖擊振幅完全可以在鎂合金表面獲得納米晶組織，從而提高焊接接頭的疲勞性能。

國(guó)內(nèi)外雖有少數(shù)研究者就表面納米化對(duì)焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行了研究，但目前還沒(méi)有研究者就超聲沖擊納米化對(duì)鎂合金焊接接頭金屬塑性變形機(jī)制，對(duì)位錯(cuò)、孿晶等的影響進(jìn)行過(guò)研究；也沒(méi)有對(duì)超聲沖擊納米化后鎂合金焊接接頭的疲勞失效機(jī)理進(jìn)行過(guò)研究。從上述國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，用超聲沖擊方法可以在金屬材料表面形成納米晶粒，獲得的納米晶組織能夠不同程度地提高材料的強(qiáng)度。但目前金屬材料表面自身納米化的研究還很不成熟，特別是鎂合金焊接接頭表面納米化機(jī)理及納米化對(duì)鎂合金焊接接頭疲勞性能及失效機(jī)理影響的研究才剛剛起步。找出超聲沖擊對(duì)鎂合金焊接接頭疲勞壽命影響的內(nèi)在規(guī)律，為確保鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究仍處于初級(jí)階段。主要存在以下方面的問(wèn)題：1疲勞性能與微觀(guān)組織關(guān)系的研究不夠深入；2鎂合金焊接接頭疲勞性能數(shù)據(jù)缺乏；3各種表面強(qiáng)化技術(shù)提高焊接接頭的疲勞性能與疲勞壽命的機(jī)理，特別是鎂合金焊接接頭超聲沖擊表面納米化機(jī)理、超聲沖擊對(duì)焊接接頭疲勞失效機(jī)理的影響的研究才剛剛起步。超聲沖擊方法不僅可以有效地降低焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，降低接頭的殘余拉伸應(yīng)力，甚至在焊接接頭表面造成殘余壓應(yīng)力，還可以細(xì)化焊縫及其附近區(qū)域的顯微組織，甚至達(dá)到表面納米化組織，該方法對(duì)提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能和疲勞壽命具有很大的作用。

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Researching Status and Developing Trend of the Effect of Ultrasonic Impact on Fatigue Properties of Magnesium Weld Joints

He Bolin
（School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Researching status and developing trend of the fatigue properties of magnesium weld joints are reviewed，and the main problems and recent developing focus and goals are outlined.The developing trend of increasing the fatigue properties and fatigue life is analyzed.The ultrasonic impact method can not only decrease the stress concentration coefficient and tension residual stress，but also refine the grain size of weld joints，even compressive stress and nanograins.The method is helpful to increase fatigue properties and life of magnesium weld joints.

magnesium alloy；weld joints；fatigue properties；ultrasonic impact

TB114.3；TB115

A

1005-0523（2011）03-0073-05

2011-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51065010）；江西省自然科學(xué)基金（2009GZC0016）

何柏林（1962－），男，教授，研究方向?yàn)椴牧蠌?qiáng)度與斷裂。