5A06鋁合金及其焊接接頭的疲勞斷裂行為

張紅霞，吳廣賀，閆志峰，裴飛飛，李晉永，王文先，李永蓮

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

5A06鋁合金是Al-Mg系防銹鋁，具有較高的強(qiáng)度、良好的腐蝕穩(wěn)定性和焊接性等特點[1]，在高強(qiáng)度的輕型結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，用其代替鋼鐵材料，可大大減輕構(gòu)件的質(zhì)量，是節(jié)能、環(huán)保的最佳備選材料。目前，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天[2-3]、汽車、軌道客車等交通運載工具以及相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，這些結(jié)構(gòu)離不開焊接技術(shù)的支持，并且都承受疲勞載荷的作用。

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)尤其是焊接結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。在焊接結(jié)構(gòu)的失效中，因交變載荷引起的疲勞斷裂事故占機(jī)械結(jié)構(gòu)失效總數(shù)的 80%～90%[4-5]，一旦發(fā)生疲勞破壞事故，往往給人們的生命財產(chǎn)帶來災(zāi)難性的損失。隨著科技的發(fā)展，人們對金屬材料的性能要求變得更高，使得材料的疲勞性能研究變得尤為重要[6]。

目前，國內(nèi)外對于鋁合金的研究主要集中在先進(jìn)焊接方法研究[7-8]、鋁合金疲勞性能[[9-10]、鋁合金疲勞行為[11-12]和裂紋擴(kuò)展速率[13]等方面；研究發(fā)現(xiàn)影響鋁合金及其焊接接頭疲勞性能的因素有：微觀組織[14]、焊縫幾何特征[4]、焊接參數(shù)[15]、機(jī)械處理方法[16]和焊接殘余應(yīng)力[17]等。這些研究主要分析了鋁合金及其對接接頭的疲勞性能和相關(guān)的影響因素，而針對 5A06防銹鋁合金不同焊接接頭疲勞斷裂行為的研究涉足較少。由于防銹鋁合金結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式多樣，并且多用于循環(huán)載荷加載的情況下，因此，研究動載荷作用下鋁合金及其焊接接頭的疲勞斷裂行為具有的理論價值和現(xiàn)實意義。

本文作者對 5A06防銹鋁合金母材及其對接、橫向十字、側(cè)面連接和縱向十字接頭形式的焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗，并分析母材及其接頭的疲勞性能、裂紋啟裂部位及擴(kuò)展特征，對疲勞斷裂機(jī)理進(jìn)行初步探討。

1 實驗

1.1 試驗材料

試驗采用10 mm厚的擠壓成型5A06 H112鋁合金板，焊接材料選用直徑3.2 mm的ER5356焊絲，其化學(xué)成分見表1，室溫力學(xué)性能見表2。

1.2 焊接工藝

鋁合金焊接接頭均采用手工TIG焊進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備為聯(lián)合匯力的300GP型AC/DC TIG電焊機(jī)。焊絲在焊前用砂紙打磨，去除表面氧化膜，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 5A06鋁合金和ER5356焊絲化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 5A06 and ER5356 (mass fraction, %)

表2 5A06鋁合金和ER5356板材室溫力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 5A06 and ER5356 at room temperature

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

1.3 試驗過程

鋁合金母材的疲勞試樣經(jīng)機(jī)械加工直接成型；對接接頭和橫向十字接頭試樣先焊接然后再機(jī)械加工成型，側(cè)面連接和縱向十字接頭試樣先機(jī)械加工成型然后進(jìn)行焊接。鋁合金母材及焊接接頭的試樣形狀和尺寸如圖1所示。

1.4 試驗設(shè)備

本試驗使用PLG-200D數(shù)字化高頻拉壓疲勞試驗機(jī)進(jìn)行試驗，室溫條件下進(jìn)行，最大交變負(fù)荷為 100 kN，靜負(fù)荷示值相對誤差≤±1%，交變負(fù)荷波動度為0.5%FS，平均負(fù)荷波動度為0.5%FS。采用的載荷類型為拉-拉載荷，加載頻率f=111～116 Hz，應(yīng)力比r=0。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織觀察

采用光學(xué)顯微鏡對 5A06鋁合金及其焊接接頭進(jìn)行金相組織分析。圖2所示為母材橫截面的金相分析結(jié)果。由圖2可發(fā)現(xiàn)材料晶粒為混晶組織，在晶內(nèi)和晶界有析出物存在。

圖3(a)所示為對接接頭焊縫中心金相照片，圖3(b)所示為焊縫熱影響區(qū)金相照片。由圖3可以看出，焊縫及其熱影響區(qū)在冷卻時晶界上均有析出相產(chǎn)生，且由于焊接加熱過程中熱作用的影響，焊接熱影響區(qū)組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻。

圖1 5A06鋁合金母材及焊接接頭疲勞試件形式及尺寸Fig. 1 Version and size of 5A06 aluminum alloy fatigue specimen (Unit: mm): (a) Base metal; (b) Butt joint; (c) Transverse cross joint;(d) Lateral connection joint; (e) Longitudinal cross joint

2.2 疲勞試驗結(jié)果

疲勞強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，即疲勞S—N曲線以指數(shù)形式表示為

以對數(shù)形式表示為

式中：S為疲勞強(qiáng)度，在本實驗中用應(yīng)力范圍Δσ表示；N為循環(huán)次數(shù)；m和C為擬合的常數(shù)。對疲勞數(shù)據(jù)可用最小二乘法擬合得出上述表達(dá)式，并求出N=2×106循環(huán)次數(shù)下相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度和不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命，然后進(jìn)行比較分析。

圖2 5A06鋁合金母材金相組織Fig. 2 Metallograph of 5A06 base metal

5A06鋁合金母材及焊接接頭的疲勞試驗結(jié)果見表4。由表4可知，母材試樣1～6疲勞斷裂部位均在試件中部標(biāo)段內(nèi)，試樣8～9經(jīng)過5×106次循環(huán)后未發(fā)生斷裂；4種焊接接頭試樣1～7疲勞斷裂部位為焊趾部位，試樣8～9經(jīng)過5×106次循環(huán)后未發(fā)生疲勞斷裂。

式中:V為設(shè)計調(diào)蓄容量,m3;ri為降雨強(qiáng)度曲線上對應(yīng)降雨歷時ti的降雨強(qiáng)度,mm/h;rc為調(diào)蓄池出流過流能力值對應(yīng)的降雨強(qiáng)度,mm /h;ti為任意降雨歷時,s;α為徑流系數(shù),hm2;A為流域面積,hm2.

根據(jù)表4的疲勞數(shù)據(jù)繪出5A06鋁合金母材及其焊接接頭的名義應(yīng)力中值S—N曲線，如圖4所示，其曲線參數(shù)見表5。由圖4中可知，對應(yīng)于50%存活率母材的疲勞強(qiáng)度為 99.79 MPa，對接接頭、橫向十字接頭、側(cè)面連接接頭和縱向十字接頭的疲勞強(qiáng)度分別為70.96、57.48、48.20和41.80 MPa，焊接接頭的疲勞性能低于母材的。

圖3 鋁合金對接接頭金相組織Fig. 3 Metallographs of 5A06 aluminum alloy butt joint:(a) Weld center; (b) HAZ

由表5和圖4的S—N曲線可以看出，鋁合金焊接接頭的疲勞性能依賴其接頭型式，不同焊接接頭型式疲勞性能差別較大，對接接頭疲勞性能為母材的71.1%，橫向十字接頭、側(cè)面連接接頭和縱向十字接頭的疲勞強(qiáng)度分別為母材的57.6%、48.3%和41.9%。造成這種結(jié)果的原因是由于焊接接頭中存在應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力，不同接頭形式的應(yīng)力集中程度不同，最終導(dǎo)致不同接頭形式的疲勞性能差別較大。

表4 5A06鋁合金疲勞及其接頭的試驗結(jié)果Table 4 Fatigue test results of 5A06 aluminum alloy and its welded joints

圖4 鋁合金5A06焊接接頭的S—N曲線Fig. 4 S—N curves of 5A06 Al alloy and its welded joints

表5 5A06鋁合金焊接接頭名義應(yīng)力S—N曲線參數(shù)Table 5 Parameters of S—N curves for 5A06 aluminum alloy and its welded joints

2.3 裂紋起裂和擴(kuò)展特征

2.3.1 宏觀裂紋起裂和擴(kuò)展特征

對 5A06鋁合金母材及其焊接接頭的疲勞起裂位置進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋁合金及其焊接接頭疲勞斷裂位置Fig. 5 Fatigue fracture position of aluminum alloy and its welded joint: (a) Base metal; (b) Butt joint; (c) Transverse cross joint;(d) Lateral connection joint; (e), (f) Longitudinal cross joint

圖5(a)所示為母材疲勞試驗后疲勞裂紋的產(chǎn)生部位照片，由圖 5(a)可以發(fā)現(xiàn)，母材起裂于疲勞試件的最小截面部位，然后沿垂直于載荷的方向擴(kuò)展。圖5(b)所示為對接接頭裂紋起裂位置，圖 5(c)所示為橫向十字接頭裂紋起裂位置，可以發(fā)現(xiàn)兩種接頭裂紋均沿焊趾部位起裂，裂紋在試件表面均沿熔合線方向擴(kuò)展，在橫截面沿著熱影響區(qū)擴(kuò)展；對接接頭焊縫有的裂紋起裂于試件中間熱影響區(qū)部位；圖5(d)所示為側(cè)面連接接頭裂紋起裂位置，裂紋啟裂于兩試板連接處的應(yīng)力集中部位，并沿垂直于載荷的方向擴(kuò)展；圖 5(e)和(f)所示為縱向十字接頭裂紋的起裂部位和擴(kuò)展方向，裂紋起裂于熱影響區(qū)部位，沿著垂直于載荷方向擴(kuò)展。

2.3.2 微觀裂紋擴(kuò)展特征

對 5A06鋁合金母材及其對接接頭的疲勞裂紋微觀擴(kuò)展特征進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖6和7所示。

圖6(a)所示為母材疲勞裂紋擴(kuò)展微觀照片，圖6(b)所示為疲勞裂紋尖端擴(kuò)展特征，圖6(c)所示為圖6(b)中局部的放大照片，可以發(fā)現(xiàn)裂紋宏觀觀察時為平滑擴(kuò)展，但在微觀下疲勞裂紋擴(kuò)展曲曲彎彎，在裂紋的擴(kuò)展過程中沿著與主裂紋不同方向有二次裂紋，但這些二次裂紋擴(kuò)展的距離比較短，主裂紋以垂直于載荷的方向擴(kuò)展；裂紋擴(kuò)展為沿晶和穿晶的混合特征。

材料中夾雜物或第二相粒子的存在能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展，改變裂紋的擴(kuò)展途徑，增加了裂紋擴(kuò)展的曲折度從而阻礙裂紋的擴(kuò)展[6]。

2.4 斷口分析

2.4.1 宏觀斷口分析

鋁合金母材及其焊接接頭的宏觀斷口如圖 8所示。圖8(a)和(b)所示為對接接頭宏觀斷口，裂紋起裂于焊縫熱影響區(qū)(圖 8(a))或板材橫斷面棱角部位(圖8(b))，裂紋擴(kuò)展為弧形擴(kuò)展特征；圖8(c)和(d)所示為側(cè)面連接接頭的宏觀斷口，裂紋起源于主板和側(cè)板連接的焊接接頭應(yīng)力集中部位或者焊接缺陷部位，然后呈弧形擴(kuò)展；圖8(e)所示為縱向十字接頭的宏觀斷口，可以發(fā)現(xiàn)裂紋起裂于承載板與非承載板相連的焊縫熱影響區(qū)部位，然后沿著垂直于載荷方向擴(kuò)展。由圖 8可以發(fā)現(xiàn)，鋁合金斷口呈暗灰色纖維狀，宏觀斷口具有一定的塑性特征。

2.4.2 微觀斷口分析

對鋁合金焊接接頭的疲勞斷口進(jìn)行 SEM 電鏡掃描觀察，結(jié)果如圖9所示。

圖6 鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展微觀照片F(xiàn)ig. 6 Microstructure showing fatigue crack propagation of aluminum alloy: (a) Crack; (b) Crack tip; (c) Partially enlarged image of Fig.6(b)

圖7 鋁合金對接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展微觀照片F(xiàn)ig. 7 Microstructure showing fatigue crack propagation of aluminum alloy butt joint

圖8 鋁合金焊接接頭疲勞斷口宏觀形貌Fig. 8 Macrostructure of fatigue fractures of aluminum alloy welding joint: (a) Butt joint; (b) Transverse cross joint; (c), (d) Lateral connection joint; (e) Longitudinal cross joint

圖9 鋁合金焊接接頭的疲勞斷口SEM像Fig. 9 SEM images of fatigue fracture sections of aluminum alloy joints: (a) Butt joint; (b), (c), (d), (e) Transverse cross joint;(f) Lateral connection joint; (g), (h) Longitudinal cross joint

圖9(a)所示為對接接頭疲勞斷口，斷口中存在較多的球狀孔洞，其孔洞周圍分布著疲勞變形過程中留下的龜裂組織，少量孔洞中存在著夾雜相，斷口為解理特征斷口。圖 9(b)～(e)所示為橫向十字接頭的疲勞斷口，由圖9(b)中可以看出，斷口上存在解理臺階。由圖9(d)可以看出，斷口中存在二次裂紋，在循環(huán)應(yīng)力加載過程中，產(chǎn)生許多尺寸較小的二次裂紋，在最終的疲勞斷口上體現(xiàn)為龜裂形貌。圖 9(e)所示的斷口中發(fā)現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展區(qū)中存在疲勞條紋，條紋基本上垂直于裂紋擴(kuò)展方向，它的出現(xiàn)是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的重要特征；另外，斷口中還存在少量二次裂紋。圖9(f)所示為側(cè)面連接接頭的微觀疲勞斷口，可以發(fā)現(xiàn)裂紋起源于材料棱角部位；由圖中可以看出，疲勞裂紋萌生后，由源區(qū)出發(fā)向前擴(kuò)展的裂紋，由于裂紋前沿的阻力不同，而發(fā)生擴(kuò)展方向上的偏離，此后裂紋開始在各自的平面上繼續(xù)擴(kuò)展，不同的斷裂面相交而形成臺階，這些臺階在斷口上構(gòu)成了放射狀。圖9(g)和(h)所示為縱向十字接頭微觀斷口，對其放大后發(fā)現(xiàn)，斷口由細(xì)小的韌窩組成，鋁合金焊接接頭在外部拉應(yīng)力的作用下，材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核、長大、聚集，最后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面形成韌窩。斷口中存在許多球狀孔洞。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鋁合金焊接接頭的斷口具有準(zhǔn)解理斷裂的特征，斷口中存在球狀孔洞、疲勞條紋、韌窩，并有二次裂紋存在。

3 結(jié)論

1) 5A06鋁合金母材及其焊接接頭的疲勞試驗結(jié)果為母材的疲勞強(qiáng)度為99.97 MPa；對接接頭、橫向十字接頭、側(cè)面連接接頭和縱向十字接頭的疲勞強(qiáng)度分別為70.96、57.48、48.20和41.80 MPa。

2) 5A06鋁合金母材疲勞試驗裂紋起裂部位為段標(biāo)內(nèi)截面最小部位，對接接頭和橫向十字接頭裂紋起裂于焊趾部位，側(cè)面連接接頭裂紋起裂于兩板連接處的應(yīng)力集中部位，縱向十字接頭裂紋起裂于熱影響區(qū)部位，微觀裂紋擴(kuò)展過程為沿晶和穿晶混合特征。

3) 鋁合金的疲勞斷口中存在球狀孔洞、疲勞條紋、韌窩和二次裂紋，具有準(zhǔn)解理斷裂的特征。

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