高速列車用高強(qiáng)鋁合金焊接接頭疲勞裂紋的擴(kuò)展特性

閆德俊 ，劉雪松，方洪淵，趙華生, ，彭愛(ài)林, ，楊建國(guó)，張 健

(1.廣州有色金屬研究院 焊接技術(shù)研究所，廣州 510650；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；3.上海鍋爐廠有限公司 技術(shù)部，上海 200245；4.南車株洲電力機(jī)車有限公司 轉(zhuǎn)向架開(kāi)發(fā)部，株洲 412001)

新干線高速列車是全鋁結(jié)構(gòu)列車，列車體采用的是日本新牌號(hào)A7N01鋁合金材料的板材和型材，通過(guò)MIG焊接方法，添加法國(guó)進(jìn)口ER5356焊絲焊接而成。A7N01屬于 Al-Zn-Mg鋁合金[1-3]，由于行業(yè)技術(shù)保密，因此，該鋁合金及其焊接接頭的各種疲勞性能數(shù)據(jù)缺乏。同時(shí)，各個(gè)廠家生產(chǎn)的材料性能上也存在一定差異，這為高速列車的安全壽命評(píng)估提出較大的困難。

隨著斷裂力學(xué)的出現(xiàn)，疲勞數(shù)據(jù)已可以通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展速率來(lái)表示和說(shuō)明。若要對(duì)高速列車體焊接結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，就需要對(duì)該合金焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行研究。本文作者主要針對(duì)新干線國(guó)產(chǎn)化高速列車車體結(jié)構(gòu)用 A7N01鋁材的焊接接頭進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，重點(diǎn)研究焊縫、熱影響區(qū)及母材的疲勞裂紋擴(kuò)展特性。

1 實(shí)驗(yàn)

按照ASTM E647及GB/T 6398—2000的要求，采用中心孔(MT)試樣在室溫下進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，采用頻率為100 Hz正弦波額定載荷加載。實(shí)驗(yàn)采用A7N01鋁合金時(shí)效軋制板材，厚度為4 mm，配以ER5356焊絲，試樣三維尺寸：300 mm×150 mm×4 mm，采用對(duì)接接頭形式，首先在試樣中心開(kāi)個(gè)直徑為1 mm的圓孔，然后采用線切割方法預(yù)置2a=17 mm的裂紋。采用能譜儀對(duì)焊接接頭三區(qū)成分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所列。從表1中可看出，該焊接接頭除基體元素Al外，Mg、Zn的含量很高，按照摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算，可形成MgZn2強(qiáng)化相，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致。在焊接接頭3個(gè)區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)前，將試樣在干燥箱中加熱到160 ℃，保溫30 min、冷卻，進(jìn)行消應(yīng)力退火。

表1 A7N01鋁合金焊接接頭的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of A7N01 aluminum alloy welded joint (mass fraction, %)

使用掃描電鏡對(duì)焊接接頭疲勞裂紋的斷口形貌進(jìn)行檢測(cè)，采用X射線能譜儀測(cè)量第二相粒子的化學(xué)成分；用光學(xué)顯微鏡觀察疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的宏觀斷口形貌，研究不同尺寸級(jí)別的第二相粒子對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展特性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的顯微組織

A7N01鋁合金MIG焊接的金相組織如圖1所示。圖1(a)所示為焊接接頭三區(qū)金相組織，采用能譜儀對(duì)接頭組織中的第二相成分進(jìn)行分析，其測(cè)量結(jié)果如圖2所示，除Al基體元素以外，主要含有Mg、Zn兩種元素，而且二者摩爾比接近1:2，其他元素含量很低，按照摩爾比例可以確定該第二相為 MgZn2，李錫武等[4]也指出 Al-Zn-Mg系列合金的主要強(qiáng)化相為MgZn2。由圖1(b)可見(jiàn)，母材(Parent metal，PM)為粗大一次相(MgZn2)、彌散二次強(qiáng)化相(MgZn2)及少量的夾雜物構(gòu)成的軋制組織。從圖1(d)可看出，由于焊接時(shí)的熱輸入較大，冷卻速度較快，焊縫區(qū)(Weld zone，WZ)存在較多的析出相(MgZn2)，構(gòu)成離異共晶組織[5]；而熱影響區(qū)(Heat affected zone，HAZ)經(jīng)歷的溫度低于熔化溫度，使得原母材的軋制狀態(tài)有所改變，大部分彌散強(qiáng)化相在焊接熱循環(huán)作用下再次固溶到基體中，粗大的一次相(MgZn2)未完全固溶而被保留下來(lái)，如圖1(c)所示。

2.2 焊接接頭不同區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭進(jìn)行了4個(gè)應(yīng)力比的疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，應(yīng)力比R分別為0、0.3、0.5和0.8，圖3所示為測(cè)試結(jié)果。由圖3可以看出，A7N01鋁合金焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力比R有很大的關(guān)系，應(yīng)力比R=0時(shí)，三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均最小，隨著應(yīng)力比的增加，擴(kuò)展速率也逐漸增大。從圖3中曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力比R=0時(shí)，無(wú)論是門檻值附近的低速擴(kuò)展階段還是拐點(diǎn)以上的中、高速擴(kuò)展階段，焊接接頭三區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率存在較大差異。HAZ的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最大，WZ的疲勞裂紋擴(kuò)展速率次之，PM 的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最小。當(dāng)應(yīng)力比R增加時(shí)，三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均增大，但是相同應(yīng)力比下各區(qū)擴(kuò)展速率的差異卻減小?？梢?jiàn)，焊接接頭三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率是不同的，PM 的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最小，HAZ與WZ的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比較接近；隨著應(yīng)力比的增加，三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率差異逐漸減小，這是因?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力—有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍隨著應(yīng)力比的增加而受第二相粒子的影響逐漸減小[6]。

圖1 A7N01鋁合金焊接接頭的顯微組織Fig.1 Optical microstructures of A7N01 aluminum alloy welded joint: (a)Welded joint; (b)PM; (c)HAZ; (d)WZ

圖2 焊接接頭第二相的X射線能譜Fig.2 X-ray spectrum of secondary phase in weld joint

2.3 疲勞斷口形貌分析

圖4所示為母材試樣在近門檻值低速擴(kuò)展階段、Paris中速擴(kuò)展階段及快速斷裂階段的疲勞斷口形貌。從圖4(a)的低速擴(kuò)展階段可以看到一些平行的軋制裂紋[7]，在主裂紋面上有二次裂紋產(chǎn)生，還有較大的滑移臺(tái)階[8]，此時(shí)裂紋主要沿著晶粒內(nèi)部滑移帶擴(kuò)展。圖4(b)所示為Paris中速擴(kuò)展階段，可以看到斷口形貌呈現(xiàn)疲勞條紋特征，疲勞條紋以垂直于裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橹鳎捎诰ЯＨ∠虻牟煌?，不同晶粒?nèi)的疲勞條紋發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)[9]。圖4(c)所示為快速擴(kuò)展階段斷口形貌，出現(xiàn)較多二次裂紋及韌窩結(jié)構(gòu)，在大韌窩中含有較大尺寸的第二相粒子及夾雜物[10]；在大韌窩的周圍分布著很多小韌窩，這是彌散相較小而形成的小韌窩結(jié)構(gòu)。

圖5所示為熱影響區(qū)試樣在近門檻值低速擴(kuò)展階段、Paris中速擴(kuò)展階段及快速斷裂階段的疲勞斷口形貌。圖5(a)所示為近門檻值的低速擴(kuò)展階段斷口形貌，與圖4(a)中母材的斷口形貌基本相似，即存在一些較小的滑移臺(tái)階，裂紋也主要是沿著晶粒內(nèi)部滑移帶擴(kuò)展。對(duì)比圖5(b)與圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)與母材在Paris中速擴(kuò)展階段也基本相似，斷口形貌呈現(xiàn)較均勻疲勞條紋特征，并以垂直于裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橹?，不同晶粒?nèi)的疲勞條紋也發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)。圖5(c)所示為快速擴(kuò)展階段的斷口形貌，與圖4(c)的母材斷口相比，大韌窩較少，而且?guī)缀鯖](méi)有彌散相形成的小韌窩。這是由于大部分彌散相與粗大第二相在焊接熱循環(huán)作用下已固溶至基體中。未固溶的粗大第二相形成較大韌窩，較少、部分固溶的粗大第二相則形成較小韌窩。

圖3 A7N01鋁合金焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.3 Fatigue crack propagation curves of A7N01 aluminum alloy welded joint: (a)PM; (b)HAZ; (c)WZ

圖4 母材疲勞斷口表面形貌Fig.4 Morphologies of fatigue fracture surfaces of PM:(a)Low speed; (b)Medium speed; (c)High speed

圖6所示為焊縫試樣在近門檻值低速擴(kuò)展階段、Paris中速擴(kuò)展階段及快速斷裂階段的疲勞斷口形貌。圖6(a)所示為近門檻值的低速擴(kuò)展階段斷口形貌，與母材、熱影響的斷口形貌不同，在圖6(a)中可以看到一些韌窩結(jié)構(gòu)[11]。從圖6(b)的Paris中速擴(kuò)展階段也可以看出，在均勻的疲勞條紋帶中分布著較大的韌窩結(jié)構(gòu)，這與母材、熱影響的斷口形貌不同[12]。這是由于焊縫中粗大第二相較多，容易形成韌窩結(jié)構(gòu)。圖6(c)所示為焊縫在快速擴(kuò)展階段的斷口形貌，可看出斷口主要由較大均勻韌窩和撕裂棱組成，與母材及熱影響區(qū)的韌窩形貌不同。焊縫的韌窩尺寸以及分布比較均勻[13]，這是焊縫中形成韌窩的第二相粒子比母材中彌散相粒子尺寸大所造成的。

圖5 熱影響區(qū)疲勞斷口表面形貌Fig.5 Morphologies of fatigue fracture surfaces of HAZ:(a)Low speed; (b)Medium speed; (c)High speed

2.4 疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制分析

圖6 焊縫疲勞斷口表面形貌Fig.6 Morphologies of fatigue fracture surfaces of WZ:(a)Low speed; (b)Medium speed; (c)High speed

從圖1中可以看出，在母材、熱影響區(qū)及焊縫三區(qū)中，除鋁合金基體外，均含有不同尺寸的第二相粒子：母材中含有粗大與細(xì)小的第二相粒子；熱影響區(qū)和焊縫中含有粗大的第二相粒子。從圖4～6可以看出，母材、熱影響區(qū)及焊縫三區(qū)的疲勞裂紋斷口均受到第二相粒子的影響，疲勞裂紋擴(kuò)展與第二相粒子有關(guān)。使用納米壓痕技術(shù)測(cè)得焊接接頭三區(qū)中第二相粒子的彈性模量為90～100 GPa，比鋁合金基體的彈性模量(72 GPa)高，第二相粒子的屈服強(qiáng)度比鋁合金基體的屈服強(qiáng)度高很多；第二相粒子的硬度為基體硬度的2～3倍。由于基體與第二相粒子的力學(xué)性能存在這些差異，當(dāng)鋁合金基體與第二相粒子受到的應(yīng)力水平超過(guò)鋁合金基體的屈服強(qiáng)度時(shí)，基體會(huì)發(fā)生屈服而產(chǎn)生較大的塑性變形[14]；第二相粒子則由于屈服強(qiáng)度高，可能沒(méi)有發(fā)生屈服而處于彈性狀態(tài)。那么第二相粒子與基體的邊界會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，第二相周圍的基體容易產(chǎn)生較大的塑性變形，當(dāng)超過(guò)變形極限時(shí)，則發(fā)生斷裂，進(jìn)而第二相粒子與基體分離[15]。且第二相粒子尺寸越大，這種不協(xié)調(diào)變形效應(yīng)越突出，進(jìn)而更容易導(dǎo)致較大尺寸的第二相粒子與周圍基體分離而斷裂。

疲勞裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋尖端應(yīng)力集中大，裂紋尖端應(yīng)力值遠(yuǎn)大于材料的屈服強(qiáng)度，裂紋尖端形成一個(gè)塑性區(qū)，該塑性區(qū)尺寸可以達(dá)到幾個(gè)至幾百個(gè)晶粒尺寸(該塑性區(qū)尺寸大小與裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子有直接關(guān)系[16])。在工作載荷保持不變條件下，在疲勞裂紋擴(kuò)展前期，裂紋長(zhǎng)度較短時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子也較小，進(jìn)而裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸較小，約有幾個(gè)晶粒尺寸大小。從圖1可以看出，在此塑性區(qū)內(nèi)較大尺寸的第二相粒子個(gè)數(shù)也很少，那么第二相粒子與周圍基體因不協(xié)調(diào)變形而發(fā)生斷裂的幾率也減?。煌瑫r(shí)由于裂紋長(zhǎng)度短，應(yīng)力水平不高，二者雖然產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，但不一定達(dá)到基體的變形極限，因此，疲勞裂紋不一定在粒子邊界產(chǎn)生，可能在基體中擴(kuò)展而形成疲勞條紋，這正如圖4～6中的低、中速疲勞裂紋擴(kuò)展階段所示，斷口存在大量疲勞輝紋，然而僅有少量的第二相粒子周圍斷裂形成的韌窩；在疲勞裂紋擴(kuò)展后期，裂紋長(zhǎng)度較大，應(yīng)力強(qiáng)度因子也較大，進(jìn)而裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較大，可達(dá)到幾十甚至幾百個(gè)晶粒尺寸大小，該塑性區(qū)內(nèi)的第二相粒子數(shù)目也明顯增加，而且應(yīng)力水平較高，那么第二相粒子與周圍基體因不協(xié)調(diào)變形而發(fā)生斷裂的幾率也大大增加，而且二者不協(xié)調(diào)變形程度也進(jìn)一步增大，會(huì)有較多的第二相粒子與周圍基體因不協(xié)調(diào)變形而發(fā)生斷裂，因此，疲勞裂紋將會(huì)在這些區(qū)域優(yōu)先擴(kuò)展，如圖4～6中發(fā)現(xiàn)大量的韌窩是由于裂紋在粒子周圍發(fā)生斷裂形成的微裂紋，主裂紋經(jīng)過(guò)這些微裂紋進(jìn)行擴(kuò)展。

因此，含有第二相粒子的鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展受到第二相粒子與裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子共同影響：當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子較小時(shí)，裂紋尖端塑性區(qū)較小，塑性區(qū)內(nèi)的第二相粒子與周圍基體不協(xié)調(diào)變形較小，二者發(fā)生斷裂的幾率較小，疲勞裂紋不一定從第二相粒子處穿過(guò)；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子較大時(shí)，裂紋尖端塑性區(qū)較大，塑性區(qū)內(nèi)的第二相粒子與周圍基體不協(xié)調(diào)變形較大，而且塑性區(qū)內(nèi)第二相粒子數(shù)也增加，二者發(fā)生斷裂的幾率較大，疲勞裂紋容易從第二相粒子處穿過(guò)。

3 結(jié)論

1)母材的顯微組織為時(shí)效狀態(tài)的α(Al)基體與粗大一次相及彌散二次強(qiáng)化相的軋制組織，熱影響區(qū)顯微組織為α(Al)基體以及少量的未完全固溶的一次相組織，焊縫區(qū)顯微組織為α(Al)基體與離異共晶組織。

2)焊接接頭三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率不同：母材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最小，熱影響區(qū)與焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比較接近；隨著應(yīng)力比的增加，相同應(yīng)力比下三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率差異逐漸減小。

3)焊接接頭三區(qū)的疲勞斷口形貌也不同：在近門檻值的低速階段，母材與熱影響區(qū)的疲勞斷口以滑移臺(tái)階為主，裂紋主要沿著晶粒內(nèi)部滑移帶擴(kuò)展。焊縫中除了上述特征外還含有少量韌窩結(jié)構(gòu)；在Paris中速擴(kuò)展階段，母材與熱影響區(qū)呈現(xiàn)均勻的疲勞條紋特征，并以垂直裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橹?。焊縫則在疲勞條紋中包含一定的韌窩結(jié)構(gòu)；在快速斷裂階段，熱影響區(qū)中的韌窩很少，焊縫的韌窩較多且分布均勻，母材則在大韌窩周圍分布著許多小韌窩。

4)焊接接頭三區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制：裂紋尖端塑性區(qū)第二相粒子與基體不協(xié)調(diào)變形較小時(shí)，粒子與基體不容易發(fā)生斷裂，疲勞裂紋不容易經(jīng)過(guò)第二相粒子，進(jìn)而在基體上出現(xiàn)明顯的疲勞條紋；裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)第二相粒子與基體不協(xié)調(diào)變形較大時(shí)，粒子與基體容易發(fā)生斷裂，疲勞裂紋容易經(jīng)過(guò)第二相粒子，進(jìn)而疲勞裂紋中出現(xiàn)明顯的粒子韌窩。

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