TA2，Q345及其爆炸復合板高周疲勞性能研究

孫 倩，張 霞，張 罡2，崔小玉，范蕙萍，田 嬌

(1.青島理工大學 琴島學院，山東青島 266106;2.沈陽理工大學，沈陽 110159)

0 引言

爆炸焊[1]又稱爆炸壓焊，是指利用炸藥爆炸產生的沖擊力使得工件迅速碰撞而實現焊接的方法。鈦/鋼復合板即是以鋼材為基板、鈦材為覆板爆炸焊接而成的。鈦/鋼復合板利用了基材優(yōu)良的力學性能作為結構件受力部分、覆材優(yōu)良的耐腐蝕性能作為耐蝕層，可以大量節(jié)約鈦材，并降低材料成本，應用于航空航天、船舶、軍工、化工等領域。

20世紀80年代，鈦/鋼爆炸復合板界面就形成“界面區(qū)”概念，并把界面區(qū)看成有一定厚度的三維空間[2-3]。對于鈦/鋼“界面區(qū)”的研究主要體現在界面組織、力學性能、電化學性能等方面。祖國胤等[4-6]檢測證實鈦/鋼界面存在納米尺度的過渡層，并包含有固溶體組織和少量金屬間化合物。翟偉國等[7-8]研究表明，鈦/鋼復合板抗拉強度高于鈦材和鋼材，剪切強度達到國家標準要求；并檢測到鈦/鋼界面覆材側存在Ti再結晶形成的細晶絕熱剪切線。鄭遠謀[9]發(fā)現采用退火熱處理工藝，這種絕熱剪切線會消失。韓小敏等[10]檢測鈦/鋼界面基材鋼側發(fā)生了腐蝕，由于鈦和鐵之間存在電負性差，導致形成原電池效應。鈦由于電極電位較低成為陰極受到保護，而鋼則作為陽極受到腐蝕。

截止目前，鈦/鋼“界面區(qū)”的力學性能的研究主要集中在靜態(tài)拉伸、沖擊韌性、硬度、剪切等方面，而動態(tài)疲勞性能的試驗研究鮮有報道。魯漢民等[11]對鈦/鋼爆炸復合板抗剪切疲勞特性分析表明：疲勞裂紋萌生于基材表面，最后在TA2純鈦端剪切側斷裂。崔建國等[12]對LY12六層爆炸復合板的分層韌性、裂紋擴展研究表明：裂紋在到達界面后發(fā)生了轉折而沿界面擴展，能量大量消耗在界面上,相應提高了層合板的斷裂韌性。崔建國等[13]又對LY12/Cu異種金屬復合板疲勞性能考察表明，界面兩側的材料彈塑性失配對界面裂紋擴展的驅動力有重要影響。本文以覆板工業(yè)純鈦TA2、基板Q345、爆炸復合板TA2/Q345為研究對象，對比分析其疲勞性能，通過觀察斷口形貌特征，考察界面材料彈塑性的差異對疲勞強度和疲勞裂紋擴展的影響。

1 試驗材料及方法

基板為Q345鋼，正火態(tài)，厚度20 mm；覆板為工業(yè)純鈦TA2，退火態(tài)，厚度3 mm；經爆炸焊接而成的TA2/Q345復合板。為便于試驗研究，三者均采用6 mm厚度(TA2/Q345復合板從基板側厚度方向切掉17 mm)。

1.1 靜態(tài)拉伸試驗

根據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，線切割截取TA2，Q345,TA2/Q345復合板拉伸試樣，在WAW-500型微機控制液壓伺服萬能試驗機上進行靜態(tài)拉伸試驗。試樣原始標距L0=56.5 mm，平行段長度L=80 mm，過渡段圓弧半徑r=20 mm，平行段表面粗糙度為0.8 μm。

1.2 軸向拉-壓疲勞試驗

根據GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》，線切割截取TA2,Q345,TA2/Q345復合板疲勞試樣。因疲勞試驗機夾面限制，要求工件最小厚度10 mm(本次試樣厚度為6 mm)，故在試樣兩側加鋁合金墊板。疲勞試樣和試驗加載示意圖如圖1,2所示。

圖1 疲勞試樣實物圖

圖2 疲勞試驗加載示意

高周疲勞試驗采用MTS810疲勞試驗機。在室溫條件下，根據單點法(σmax=Kσb)測疲勞，依次選取6個應力級0.6σb，0.5σb……；試驗時逐漸降低應力級別，波形為正弦波，頻率f=30 Hz，應力比R=-1，基板和覆板加載次數107次，爆炸復合板TA2/Q345加載次數2×106次。

采用TESCAN-MAIA3掃描電鏡觀察基板Q345、覆板TA2、復合板TA2/Q345的疲勞斷口形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 靜態(tài)拉伸試驗結果與分析

經過基板Q345、覆板TA2、爆炸復合板TA2/Q345的拉伸試驗，得到強度和塑性指標，其結果如表1所示。

表1 Q345，TA2，TA2/Q345拉伸試驗結果

依據文獻[14]，復合板的理論抗拉強度可由公式σb=(σ1t1+σ2t2)/(t1+t2)計算得出(其中，σ1,σ2表示基板和覆板的抗拉強度，t1,t2表示基板和覆板的厚度)。計算可得TA2/Q345復合板的理論σb=511 MPa，試驗σb=635 MPa(遠遠大于理論值)，伸長率44.78%，斷面收縮率66.7%，說明此鈦/鋼爆炸復合板強度和塑性匹配良好，滿足工程應用的要求。

根據經驗公式σ-1p=0.23(σs+σb)[15]估算材料疲勞極限(σ-1p:應力比為-1時，拉-壓疲勞極限)，基板Q345:σ-1p=251 MPa；覆板TA2:σ-1p=174 MPa；復合板TA2/Q345∶σ-1p=219 MPa。

2.2 軸向拉-壓高周疲勞試驗結果與分析

經過基板Q345、覆板TA2、爆炸復合板TA2/Q345的拉-壓高周疲勞試驗，得到最大應力σmax與疲勞壽命N相關數據，其結果如表2所示；疲勞斷裂圖如圖3所示。

表2 Q345，TA2，TA2/Q345高周疲勞試驗結果

(a)基板Q345 (b)覆板TA2 (c)復合板TA2/Q345

圖3 疲勞試驗斷裂試樣

將試驗數據最大應力幅σmax和疲勞壽命N分別取對數后，采用Origin軟件分別對基板Q345、覆板TA2、爆炸復合板TA2/Q345進行線性擬合，得出其S-N曲線如圖4所示。

圖4 Q345，TA2，TA2/Q345的S-N曲線

由S-N曲線可以看出，基板、覆板、復合板在高的應力幅作用下，試樣經過較少的循環(huán)次數即發(fā)生疲勞斷裂，而隨著應力級別的降低，試樣疲勞斷裂時所受的循環(huán)次數升高，最終接近疲勞曲線的水平段，相應的應力幅值即為各自的疲勞極限(應力比R=-1)。

由圖4擬合可得出Q345，TA2，TA2/Q345的最大應力幅σmax和疲勞循環(huán)壽命N之間的關系方程分別如下。

基板Q345：

lgσmax=2.8563-0.06573lgN

(1)

覆板TA2：

lgσmax=2.62257-0.05551lgN

(2)

復合板TA2/Q345：

lgσmax=2.91564-0.09862lgN

(3)

Q345，TA2取N=107次作為材料的疲勞極限，TA2/Q345爆炸復合板屬于焊接件，取N=2×106次作為疲勞極限，可得到基板Q345疲勞極限為249 MPa，覆板TA2疲勞極限為171 MPa，爆炸復合板TA2/Q345疲勞極限為197 MPa。即復合板TA2/Q345的疲勞極限介于基板Q345與覆板TA2之間。此試驗結果與經驗公式估算值相比較，基板和覆板的相差不大，比估算值低2～3 MPa；而復合板試驗值偏離預估值22 MPa?？梢灶A測，TA2/Q345爆炸復合板界面不均勻性的組織、缺陷等因素降低了材料的疲勞性能。

綜合材料的抗拉強度和疲勞極限，計算出材料的疲勞比，Q345，TA2，TA2/Q345抗拉強度σb與σ-1p滿足的線性關系如下。

基板Q345：

σ-1p=0.40σb

(4)

覆板TA2：

σ-1p=0.42σb

(5)

復合板TA2/Q345：

σ-1p=0.31σb

(6)

相比較，基板和覆板的疲勞性能更為穩(wěn)定。復合板TA2/Q345的疲勞比最小，抵抗疲勞作用的能力較差。由上述試驗可知復合板TA2/Q345抗拉強度優(yōu)于基板和覆板，但其疲勞極限并不是最優(yōu)，而是低于基板Q345，高于覆板TA2。這主要是由于本身疲勞強度分散性很大，疲勞斷裂的影響因素較多，爆炸復合板TA2/Q345結合界面不均勻組織、缺陷、成分差異造成的，而且在結合界面處有不止一處裂紋源(由下述疲勞斷口形貌觀察可知)。

3 疲勞斷口形貌分析

3.1 基板Q345疲勞斷口形貌分析

由圖3中可以看出，試樣斷裂位置都在中間最細部位。其中基板Q345在最大循環(huán)應力369 MPa和258.3 MPa下的宏觀斷口分別如圖5(a),(b)所示，可以看出，疲勞斷口由3部分組成：疲勞裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。裂紋源區(qū)斷面平整光亮，有金屬光澤；并且以裂紋源為核心呈扇形的解理面向四周擴散。裂紋源萌生于試樣外表面的棱角和平面處，原因是試樣外表面由加工狀態(tài)差引起應力集中所致，即外表面所受的應力比內部大，內部完全被晶粒的四周所包圍，而表面晶粒所受的約束較少，因此比內部晶粒易于滑移[16]。裂紋擴展區(qū)位于斷口的中部，有疲勞臺階，呈放射狀、光亮的射線；而且圖5(b)比圖5(a)所占的面積要大，故隨著應力水平的降低，裂紋擴展區(qū)的面積應逐漸變大，裂紋擴展速率逐漸變小。瞬斷區(qū)顏色較暗，斷口粗糙不平，有明顯的撕裂棱。

(a)循環(huán)應力369 MPa

(b)循環(huán)應力258.3 MPa

圖5 Q345疲勞宏觀斷口

基板Q345在最大循環(huán)應力258.3 MPa下的裂紋源及擴展區(qū)微觀斷口如圖6所示，可以看出，疲勞斷口是解理斷裂，Q345試樣在遠低于屈服極限的應力循環(huán)作用下，材料的塑性形變過程嚴重受阻，材料不能以形變方式、而是以分離來順應外加應力時，就發(fā)生解理裂紋。圖6(a)中箭頭方向代表裂紋擴展方向，裂紋源呈放射狀花樣沿裂紋擴展方向延伸。圖中可見少量的夾雜物，對解理裂紋亦有重要影響。

(a)裂紋源區(qū)

(b)擴展區(qū)

圖6 最大循環(huán)應力258.3 MPa下Q345疲勞微觀斷口

由圖6(b)中可以看到疲勞臺階、疲勞輝紋、二次裂紋等微觀特征。在疲勞臺階的作用下，疲勞斷面上有許多大小不同、高低不同的小斷塊組成，每個小斷塊上分布著連續(xù)且相互平行的疲勞輝紋，略彎曲且凸向裂紋前進方向，疲勞輝紋方向與裂紋擴展方向垂直。依據Smith模型，每經過一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經歷一次銳化-鈍化-再銳化過程，裂紋擴展一段距離，斷口表面產生一道疲勞輝紋。即每一條疲勞輝紋代表一次載荷循環(huán)，疲勞輝紋數量與循環(huán)次數相等；而且隨著疲勞裂紋的擴展，疲勞輝紋間距逐漸變大，疲勞裂紋擴展速率加快，直至裂紋尺寸達到臨界值后隨即出現最終失穩(wěn)斷裂。

疲勞裂紋擴展中伴有較多二次裂紋，二次裂紋為穿晶形式，方向不一，有的與輝紋方向平行，有的與輝紋方向垂直。從微觀組織分析，Q345鋼中存在珠光體組織，珠光體由硬度較低的鐵素體和硬度較高的滲碳體兩相組成，兩相界面是薄弱區(qū)；疲勞裂紋萌生之后很容易沿著相界面擴展，同時也極易形成二次裂紋[17]。

3.2 覆板TA2疲勞斷口形貌分析

覆板TA2在最大循環(huán)應力183.15 MPa下的疲勞斷口和裂紋源放大如圖7所示。覆板TA2疲勞斷口形貌平滑，疲勞斷口由疲勞裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)組成。疲勞裂紋源萌生于試樣外表面，原因同基板。由疲勞源區(qū)放大圖可以看出，疲勞源區(qū)有“階梯形”的解理小平面，解理小平面表面光滑，小平面之間相互平行或傾斜相交，與應力軸之間有一定的夾角(30°～60°)[18]。

(a)宏觀斷口

(b)裂紋源放大

圖7 TA2疲勞宏觀斷口和裂紋源放大示意

覆板TA2在最大循環(huán)應力183.15 MPa下的疲勞擴展區(qū)斷口形貌如圖8所示。由圖8(a)中可見明顯的疲勞輝紋，輝紋間距代表應力循環(huán)一周、裂紋擴展的距離，且循環(huán)應力幅越小，輝紋間距越小，疲勞輝紋越細密、連續(xù)性越好，即裂紋擴展速率越慢。由圖8(b)中可見大量二次裂紋，有的與疲勞輝紋垂直，有的與疲勞輝紋平行，說明裂紋在擴展時出現了分枝，二次裂紋起裂后，局部應力得到松弛，降低了疲勞裂紋的擴展速率，對提高疲勞壽命有利[19]。從微觀組織分析，工業(yè)純鈦TA2為α鈦合金，α相增強了抗裂紋萌生的能力，使得工業(yè)純鈦具有較好的塑性，但α相抗裂紋擴展能力較弱，使得疲勞裂紋擴展區(qū)產生較多二次裂紋。

(a)

(b)

圖8 TA2疲勞微觀斷口

3.3 復合板TA2/Q345疲勞斷口分析

3.3.1 復合板TA2/Q345疲勞宏觀斷口分析

復合板TA2/Q345在最大循環(huán)應力317.5 MPa和215.9 MPa下的宏觀斷口如圖9所示,從圖中可以看出復合板TA2/Q345爆炸焊的波狀結合界面，疲勞斷口屬于脆性斷裂；在不同的應力幅下，疲勞斷口呈現多源性[20]。從圖9(a),(c)可以看出，裂紋萌生于Q345表面的拐角和平面處，終斷于TA2；且結合界面處亦是裂紋源之一。研究表明，裂紋萌生表面的原因是：當交變應力高于疲勞極限時，部分晶粒內出現滑移帶，滑移帶較寬且較深；將形成于金屬表面而后逐漸擴展到內部的滑移帶稱為駐留滑移帶。當表面駐留滑移帶形成后，由于不可逆的反復變形，便在金屬表面形成“擠出脊”和“擠入溝”現象，通常認為“擠入溝”將發(fā)展成為疲勞裂紋核心。

圖9 TA2/Q345疲勞宏觀斷口和界面放大示意

圖9(b),(d)分別為結合界面圖9(a),(c)裂紋源的放大圖，可以看出界面出現了開裂現象。究其原因：(1)兩種材料的力學性能不同，室溫下，Q345的彈性模量210 GPa,TA2的彈性模量108 GPa,兩者相差近一倍，在拉-壓循環(huán)載荷下，即使整體處于彈性變形狀態(tài)，但由于界面兩端彈性模量的差異使得結合界面產生附加內應力；(2)兩種材料晶體結構不同，Q345是體心立方結構，TA2是密排六方結構，在不可逆的反復交變應力下，晶格缺陷的移動和聚集會使結合界面產生附加的結構應力；(3)兩種材料的組織不同，室溫下Q345組織由珠光體與鐵素體組成，TA2由α相組成，經爆炸復合后結合界面處發(fā)生相應的塑性變形，無論是Q345側出現等軸細晶區(qū)[7]，還是TA2側由于塑性變形出現孿晶[21]，在交變載荷下均會在界面處產生附加的組織應力?；谝陨?種應力的作用使得結合界面出現了開裂，也是疲勞裂紋源萌生地之一，降低了鈦/鋼復合板的疲勞比。

圖9(b),(d)中出現類似臺階和界面錯斷的特征，這是由于裂紋源在多處萌生并相互擴展過程中，會在不同的平面上擴展，當裂紋相互交匯到一起時，必然通過剪切撕裂的方式使不同的擴展平面連接起來[22]，從而形成臺階；而當裂紋擴展到結合界面時會發(fā)生錯斷。

另從疲勞裂紋擴展動力學原因分析，裂紋前沿的應力強度因子范圍ΔK[23]是控制裂紋擴展的驅動力，對雙金屬而言，假設兩組元均有裂紋源，則兩金屬的應力強度因子之比ΔKQ345/ΔKTA2=(σ1E1/σ2E2)1/2，其中σ1,E1,σ2,E2分別代表基板和覆板的抗拉強度和彈性模量，則ΔKQ345/ΔKTA2=1.63，可見基板Q345的裂紋擴展驅動力大于覆板TA2實際驅動力，即當兩側均有相同裂紋源時，基板Q345的裂紋擴展速率高于覆板TA2，而裂紋萌生地更易出現在基板Q345側，除非TA2表面比Q345有更大應力集中或加工痕跡。從圖9(a),(c)中可以看出，裂紋均萌生于基板Q345表面，終斷于覆板TA2側。

3.3.2 復合板TA2/Q345疲勞微觀斷口分析

復合板TA2/Q345基板側微觀斷口如圖10所示。

圖10 復合板 TA2/Q345基板側微觀斷口

圖10(a)是裂紋源處放大圖，疲勞裂紋萌生區(qū)長時間暴露在空氣環(huán)境中，裂紋擴展速率較慢，裂紋兩側不斷重復張開和閉合。裂紋源有些白亮物質，主要是一些非金屬夾雜物或氧化物。圖10(b)為基板Q345側疲勞擴展區(qū)放大圖，結合界面出現明顯開裂，可看到典型的特征疲勞輝紋，由疲勞輝紋的特征可以標出裂紋擴展方向，從基板Q345側擴展至復合界面，而又至覆板TA2側，這點可以從上述疲勞裂紋擴展動力學原因解釋。

由圖10(c)可以看出，基板Q345側多源裂紋擴展交匯時形成臺階，呈現“爬坡”現象，臺階與主應力方向有一定的夾角。圖10(d)是圖10(c)的局部放大圖，呈現解理斷口，具有結晶狀形態(tài)，肉眼觀察有許多強烈反光的小平面，與水平面大約呈45°角；另還有一些穿晶的微裂紋。

復合板TA2/Q345覆板TA2側微觀斷口如圖11所示。圖11(a)為覆板TA2側裂紋源處放大圖，裂紋萌生區(qū)的氧化嚴重，顏色較淺、斷面細密。圖11(b)為覆板TA2側裂紋擴展區(qū)，疲勞裂紋擴展方向如圖中箭頭所示，隨著裂紋的向前擴展，疲勞輝紋由密集變得稀疏，即疲勞間距越來越大。

圖11 復合板TA2/Q345覆板側微觀斷口

圖11(c)為爆炸復合界面，可看出界面出現了開裂，疲勞裂紋由基板Q345向覆板TA2擴展時出現了“爬坡”現象，與覆板TA2有一定的夾角；對TA2側進行放大(見圖11(d))發(fā)現，TA2自身出現了“剝離撕裂”現象，主要是因為疲勞裂紋由結合界面向覆板TA2擴展時，隨著循環(huán)載荷的不斷加載，TA2側出現爬坡式斷裂，且在擴展過程中局部應力集中或夾雜物的存在，從而造成TA2自身剝離撕裂。

4 結論

(1)爆炸復合板TA2/Q345抗拉強度σb=635 MPa，優(yōu)于基板Q345和覆板TA2，且高于理論計算值，其強度和塑性優(yōu)良。

(2)爆炸復合板TA2/Q345最大應力與循環(huán)次數關系：lgσmax=2.91564-0.09862lgN，σ-1p=197 MPa，介于基板Q345和覆板TA2之間。

(3)爆炸復合板TA2/Q345疲勞強度與抗拉強度滿足σ-1p=0.31σb，復合板疲勞比較小，抵抗疲勞作用的能力較差。

(4)爆炸復合板TA2/Q345疲勞斷口呈現多源性，裂紋萌生于基板Q345表面，終斷于覆板TA2；由于TA2和Q345的彈性模量、晶體結構、金相組織的差異，造成復合板結合界面開裂，亦是裂紋源之一。

(5)爆炸復合板TA2/Q345多源裂紋擴展交匯時形成臺階，基板Q345向覆板TA2擴展時出現了“爬坡”現象，且覆板TA2自身出現了“剝離撕裂”現象。