銅-鋼電子束焊接材料的疲勞特性

陳 雨，周根樹，詹 騰，李成吉，華小明，張權(quán)明*，付琴琴，劉昕杰，陳昆宇，張勤練

(1 西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2 西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，西安 710100)

隨著我國載人航天、登月計劃以及火星探測等項(xiàng)目的相繼實(shí)施，對航天器長期在軌工作的要求越發(fā)嚴(yán)苛，航天器的可靠性成為當(dāng)下我國航天領(lǐng)域的重要研究課題。異種金屬焊接結(jié)構(gòu)為航天器中最為常見的結(jié)構(gòu)之一，其焊接接頭處的疲勞性能成為影響航天器壽命的關(guān)鍵[1-2]。航天器所使用的銅-鋼復(fù)合材料中，銅側(cè)為QCr0.8銅合金，該合金在保持了純銅優(yōu)異導(dǎo)電性的同時，具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時還具備良好的塑性成形性，良好的焊接性和切削性[3-4]。鋼側(cè)材料為1Cr21Ni5Ti鐵素體-奧氏體型雙相不銹鋼，該不銹鋼具有高強(qiáng)度，良好的耐氧化性和焊接性[5-6]。

電子束焊接是指依靠高速電子束的撞擊，使焊接部位熔化并形成焊縫的焊接方法。該方法在焊接兩種不同材料時，由于焊接過程中的熱循環(huán)時間短，所以減少了由于熱膨脹系數(shù)等性能的差異而產(chǎn)生裂紋的可能性，極大增加了接頭處的力學(xué)性能。此外，采用電子束焊接方法的焊接變形小，焊縫深度比大，焊接質(zhì)量高，且焊接規(guī)范有著較寬的調(diào)節(jié)范圍。對于異種金屬電子束焊接結(jié)構(gòu)，桑桑[7]研究了Ta-GH3128電子束焊接的焊縫組織與斷裂特征；郭順等[8]通過有限元溫度場模擬分析得到了Ti-Cu電子束焊接過程中的相結(jié)構(gòu)變化與原子擴(kuò)散情況；江暢[9]研究了異種鈦合金電子束焊接的具體工藝以及靜態(tài)力學(xué)性能，觀察并分析了拉伸斷口特征；Niu等[10]通過添加中間層提高了NiTi/不銹鋼電子束焊接的斷裂強(qiáng)度；郭紹慶等[11]通過富Si非增強(qiáng)中間層改善了鋁基復(fù)合材料的電子束焊接工藝； Silvalima等[12]研究了低合金鋼-鎳基高溫合金異種金屬焊縫在焊后熱處理過程中組織以及微觀力學(xué)性能的演變。整體而言，目前國內(nèi)外對于異種金屬電子束焊接結(jié)構(gòu)的研究主要局限于焊接工藝、焊接組織以及靜態(tài)力學(xué)性能[13-18]，對于其在交變載荷下的力學(xué)行為和斷裂機(jī)制研究很少。本工作采用合理電子束焊接工藝加工銅-鋼試板，通過焊縫處的組織與成分的表征評定材料冶金質(zhì)量，并且對焊接試樣的拉伸性能和疲勞性能進(jìn)行測試，得到了焊接試樣在室溫條件的平均疲勞強(qiáng)度，通過對疲勞斷口形貌的觀察，分析了該焊接結(jié)構(gòu)在不同斷裂周次下疲勞斷裂機(jī)制。進(jìn)一步歸納出異種金屬電子束焊接材料疲勞斷裂的一般規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 焊接材料

按航天器結(jié)構(gòu)，加工銅-鋼電子束焊接試板，并進(jìn)行電子束焊接實(shí)驗(yàn)[19]。銅側(cè)材料為QCr0.8銅合金,鋼側(cè)材料為1Cr21Ni5Ti不銹鋼，兩種合金的成分分別如表1和表2所示。試板厚度為不等厚對接，QCr0.8銅合金厚度為2.4 mm，1Cr21Ni5Ti不銹鋼厚度為1.7 mm，焊接試板對接厚度如圖1所示。按照工藝流程進(jìn)行試板焊接實(shí)驗(yàn)，選取最佳工藝參數(shù)，獲得成形和內(nèi)部質(zhì)量良好的銅-鋼電子束焊接試板，具體工藝參數(shù)如下：束流為39～42 mA，焊接速度為500 mm/min，加速電壓為60 kV，工作距離為300 mm。

表1 QCr0.8銅合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of QCr0.8 copper alloy(mass fraction/%)

表2 1Cr21Ni5Ti的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Chemical compositions of 1Cr21Ni5Ti stainless steel (mass fraction/%)

1.2 拉伸性能實(shí)驗(yàn)

參照國標(biāo)GB/T 2651—2008中的板狀試樣，將焊接試板進(jìn)行切割，加工成保留焊縫余高的拉伸試樣，其中試樣的厚度為母材厚度，焊縫位于試樣的中間部位。圖2為拉伸試樣規(guī)格示意圖。

圖1 銅-鋼電子束焊焊縫接頭厚度示意圖Fig.1 Diagram of weld thickness of copper-steel electron beam welding

圖2 銅-鋼電子束焊接拉伸試樣示意圖Fig.2 Diagram of copper-steel electron beam welding tensile specimen

拉伸實(shí)驗(yàn)使用INSTRON 5500R電子拉伸試驗(yàn)機(jī)。拉伸速度參照于兩個實(shí)驗(yàn)夾頭的相對運(yùn)動速率，數(shù)值為2 mm/min。圖3為斷裂后的拉伸試樣典型實(shí)物照片。

圖3 銅-鋼電子束焊接拉伸試樣實(shí)物圖Fig.3 Photo of copper-steel electron beam welding tensile specimens

1.3 疲勞性能實(shí)驗(yàn)

參照國標(biāo)GB/T 13816—1992中不去除余高的對接接頭試樣(2號試樣)，將焊接試板加工為保留焊縫余高的疲勞試樣，試樣厚度與焊縫位置與拉伸試樣相同。圖4為疲勞試樣規(guī)格示意圖。

圖4 銅-鋼電子束焊接疲勞試樣示意圖Fig.4 Diagram of copper-steel electron beam welding fatigue specimen

疲勞實(shí)驗(yàn)使用GPS200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程按照國標(biāo)GB/T 13816—1992進(jìn)行。本工作選取的循環(huán)載荷應(yīng)力比為0.1，疲勞循環(huán)基數(shù)為107，即當(dāng)試樣所承受的循環(huán)載荷超過107周次時，認(rèn)為試樣在該循環(huán)載荷作用下不會發(fā)生斷裂。所有實(shí)驗(yàn)的加載頻率均在100～120 Hz。本工作完成了25 組疲勞實(shí)驗(yàn)，其中15組在較低應(yīng)力下進(jìn)行，用以完成升降圖的繪制和平均疲勞極限的計算；另外10組在較高應(yīng)力下進(jìn)行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制S-N曲線。圖5為斷裂前后疲勞試樣典型實(shí)物照片。

圖5 銅-鋼電子束焊接疲勞試樣實(shí)物圖(a)斷裂前；(b)斷裂后Fig.5 Photos of copper-steel electron beam welding fatigue specimens(a)before fracture；(b)after fracture

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫組織觀察

制備銅-鋼異種金屬焊接接頭金相試樣[20]，圖6為焊縫處的宏觀形貌，可以看出焊縫上表面呈U字形，焊縫下表面較為平直。在焊接過程中，由于銅合金的熔點(diǎn)較低且厚度較大，導(dǎo)致其在熔化過程中的含量較多，對鋼側(cè)基體產(chǎn)生了包裹。圖7為鋼基體-焊縫界面組織，整體來說，鋼側(cè)焊接熔合區(qū)的面積較小，但是存在局部熔合區(qū)面積較大且由鋼基體伸入到焊縫中的現(xiàn)象。

圖6 銅-鋼電子束焊焊縫宏觀形貌Fig.6 Weld macroscopic feature of copper-steel electron beam welding

2.2 拉伸與疲勞測試分析

拉伸實(shí)驗(yàn)表明銅-鋼電子束焊接試樣的平均抗拉強(qiáng)度為224.43 MPa，且所有試樣均斷裂于焊縫最小截面處，該截面對應(yīng)于焊縫上部U型表面的底部。造成以上結(jié)果主要有兩個原因，一是焊縫處整體強(qiáng)度相對于基體偏低，二是由于此處的厚度為焊縫區(qū)域的最小值，所以導(dǎo)致此處為整個焊接結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。疲勞試樣大部分?jǐn)嗔延诤缚p處，局部區(qū)域斷裂于銅基體，由此可見焊縫處的結(jié)合強(qiáng)度與銅基體強(qiáng)度為影響疲勞斷裂的主要因素。表3為低應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，σmax為該組疲勞實(shí)驗(yàn)中所施加的最大應(yīng)力，N為疲勞斷裂周次。圖8為據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的升降圖。根據(jù)GB/T 24176—2009計算得到銅-鋼電子束焊接試樣的平均疲勞極限為48.04 MPa。在置信度為95%時，不同存活率下的條件疲勞極限如表4所示。所有應(yīng)力值均以銅合金基體的橫截面積為基準(zhǔn)。

高應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，結(jié)合所得到的平均疲勞極限值，繪制出銅-鋼電子束焊接試樣的S-N曲線，如圖9所示。將高應(yīng)力下的應(yīng)力-循環(huán)周次關(guān)系進(jìn)行線性擬合，可以得到：當(dāng)最大應(yīng)力σmax>48.04 MPa時，最大應(yīng)力σmax與疲勞斷裂周次N近似有如下關(guān)系：

圖7 銅-鋼電子束焊鋼基體-焊縫界面組織Fig.7 Microstructure of steel matrix-weld interface in copper-steel electron beam welding

表3 銅-鋼電子束焊接試樣低應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of low stress fatigue test of copper-steel electron beam welding specimens

圖8 銅-鋼電子束焊接疲勞試樣升降圖Fig.8 Lifting figure of fatigue specimens of copper-steel electron beam welding

表4 不同存活率下銅-鋼電子束焊疲勞試樣的疲勞極限Table 4 Fatigue limits of fatigue specimens under different survival rates

表5 銅-鋼電子束焊接試樣高應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of high stress fatigue test of copper-steel electron beam welding specimens

σmax=-58.69lgN+390.79

(1)

圖9 銅-鋼電子束焊疲勞試樣S-N曲線圖Fig.9 S-N curve of fatigue sample of copper-steelelectron beam welding

2.3 疲勞斷裂機(jī)制分析

選取幾個典型疲勞斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋基本上都起源于焊縫最小截面處。裂紋源數(shù)量與應(yīng)力的關(guān)系如表6所示。當(dāng)應(yīng)力低于65 MPa時，試樣發(fā)生較高周次的疲勞斷裂。此時疲勞過程中萌生裂紋源數(shù)量較少，均出現(xiàn)在焊縫上表面的邊緣附近。當(dāng)應(yīng)力在50 MPa左右時，只出現(xiàn)一個裂紋源，該裂紋源位于焊縫上表面的端點(diǎn)處。當(dāng)應(yīng)力高于80 MPa時，試樣萌生較多數(shù)量裂紋源，且在焊縫上下表面及焊縫內(nèi)部區(qū)域均有出現(xiàn)。不同應(yīng)力下裂紋源的位置如圖10所示，其中黃色截面為焊縫最小截面。由此可見，隨著應(yīng)力的增加，裂紋的萌生截面沒有發(fā)生改變，均位于焊縫最小截面處，但是裂紋源數(shù)目在增加，裂紋萌生位置也由焊縫上表面的端點(diǎn)位置擴(kuò)散到焊縫上下表面及內(nèi)部。

表6 銅-鋼電子束焊接疲勞試樣在不同應(yīng)力下的裂紋源數(shù)量Table 6 Number of crack sources of fatigue specimens of copper-steel electron beam welding under different stresses

圖10 不同應(yīng)力下銅-鋼電子束焊接疲勞試樣裂紋源位置示意圖(a)σmax≈50 MPa；(b)σmax<65 MPa；(c)σmax>80 MPaFig.10 Diagrams of crack source location in copper-steel electron beam welding fatigue specimens under different stresses(a)σmax≈50 MPa；(b)σmax<65 MPa；(c)σmax>80 MPa

分別選取典型的高周斷裂試樣(2號試樣)和低周斷裂試樣(16號試樣)進(jìn)行掃描斷口分析，其中圖11為高周斷裂試樣掃描斷口圖。在較低應(yīng)力作用下，試樣在焊縫最小截面圖10(a)所示位置發(fā)生起裂(圖11(a))，裂紋擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示(圖11(b))。斷口中部存在水平方向的疲勞條紋，其擴(kuò)展方向?yàn)樨Q直向上(圖11(c))。在斷口上部觀察到典型的解理斷裂形貌(圖11(d))，說明該區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū)。圖12為該斷裂試樣的側(cè)面宏觀形貌，解理斷口狀形貌位于最右邊，可以看出最終斷裂區(qū)位于銅合金基體中。

圖11 銅-鋼電子束焊接高周斷裂試樣疲勞斷口掃描圖(a)裂紋源；(b)裂紋源附近擴(kuò)展區(qū)；(c)斷口中部裂紋擴(kuò)展區(qū)；(d)斷口上部瞬斷區(qū)Fig.11 Scanning images of fatigue fracture of copper-steel electron beam welding high-cycle fracture specimen(a)crack source；(b)crack propagation zone near crack source；(c)crack propagation zone in the middle of fracture；(d)transient area above fracture

圖12 銅-鋼電子束焊接高周斷裂試樣斷口宏觀形貌Fig.12 Macroscopic feature of high-cycle fracture specimen of copper-steel electron beam welding

圖13為低周斷裂試樣斷口掃描圖，試樣起裂截面同樣為焊縫最小截面，起裂位置為焊縫上下表面，并且存在多處裂紋源，裂紋均由試樣表面向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋源位置如圖10(c)。在焊縫表面萌生的裂紋在垂直斷口方向有擴(kuò)展趨勢，其方向由焊縫指向銅合金基體(圖13(a)，(b))。焊縫下表面疲勞裂紋間距隨著裂紋擴(kuò)展逐漸增大，這是由于裂紋前端在擴(kuò)展過程中逐漸由焊縫位置轉(zhuǎn)移到銅合金基體位置，而銅合金的延展性較好，在一個疲勞循環(huán)載荷作用下疲勞條紋運(yùn)動的遠(yuǎn)。斷口內(nèi)部存在少數(shù)裂紋源(圖13(c))。斷口中部為光滑平臺，該區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū)(圖13(d))。

圖14為高周和低周疲勞斷裂機(jī)制分析，其中左側(cè)面為焊縫上表面，右側(cè)面為焊縫下表面。在較低應(yīng)力作用下，試樣發(fā)生高周斷裂，裂紋在焊縫最小截面萌生，其位置及擴(kuò)展方向如圖14(a)所示，最終在銅合金基體中發(fā)生斷裂。在較高應(yīng)力作用下，試樣發(fā)生低周斷裂，裂紋同樣在焊縫最小截面處萌生，其位置遍布焊縫上下表面。同時在內(nèi)部也存在少量裂紋源，這些裂紋源一般位于夾雜物或者氣孔處。與較低應(yīng)力作用下的斷裂情況相同，裂紋向銅合金基體擴(kuò)展并最終在銅合金基體處發(fā)生瞬時斷裂(圖14(b))。

圖13 銅-鋼電子束焊接低周斷裂試樣疲勞斷口掃描圖(a)焊縫上表面；(b)焊縫下表面；(c)內(nèi)部裂紋源；(d)斷口中部瞬斷區(qū)Fig.13 Scanning images of fatigue fracture of copper-steel electron beam welding low cycle fracture specimen(a)top surface of weld；(b)bottom surface of weld；(c)internal crack source；(d)transient zone in the middle of fracture

圖14 兩種不同類型的疲勞斷裂機(jī)制分析(a)高周斷裂機(jī)制；(b)低周斷裂機(jī)制Fig.14 Analysis of two different types of fatigue fracture mechanism(a)high cycle fracture mechanism；(b)low cycle fracture mechanism

綜合而言，無論是在較低還是較高應(yīng)力作用下，裂紋均易在焊縫最小截面處萌生，這與拉伸實(shí)驗(yàn)中得到的該處為薄弱區(qū)域的結(jié)論相對應(yīng)。不同的是，較低應(yīng)力作用下試樣只有一個裂紋源且出現(xiàn)在焊縫上表面的端點(diǎn)處，由于焊縫上表面相對于下表面粗糙度較高，所以這里是試樣應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的區(qū)域，在掃描圖片中并未明顯觀察到由于焊接缺陷導(dǎo)致的裂紋源，所以基本可以確定該裂紋源是由應(yīng)力集中導(dǎo)致的。而較高應(yīng)力作用下裂紋源在整條焊縫表面均有出現(xiàn)，且有少量裂紋源出現(xiàn)在試樣內(nèi)部的缺陷處。這可能與裂紋尖端強(qiáng)度因子幅度ΔK有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力較小時，試樣中存在裂紋的ΔK值普遍較小，由于應(yīng)力集中，只有焊縫上表面端點(diǎn)處裂紋的ΔK值高于疲勞門檻值ΔKth，因此只有該處萌生的疲勞裂紋才能順利擴(kuò)展。同理，在較高應(yīng)力作用下，較多數(shù)量的焊縫表面裂紋與內(nèi)部缺陷處裂紋的ΔK值高于疲勞門檻值ΔKth，因此可以在焊縫表面和內(nèi)部觀察到較多裂紋源[21]。相對于低周疲勞斷裂而言，高周疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積較大，最后斷裂區(qū)的面積較小。這是因?yàn)殡S著疲勞裂紋的擴(kuò)展，材料的有效承載截面面積在減小，在承載能力相同的情況下，高周疲勞的施加載荷較低，發(fā)生最終斷裂時的有效承載截面面積就越小。兩種斷裂情況下，裂紋均會從焊縫位置向銅合金基體擴(kuò)展，并且均在銅合金基體處發(fā)生最終斷裂，這可能與兩種金屬基體的相對強(qiáng)度有關(guān)，對于異種金屬焊接，裂紋會向強(qiáng)度較低的金屬基體進(jìn)行擴(kuò)展。

3 結(jié)論

(1)對于銅-鋼電子束焊接試板，焊縫上表面呈U字形，下表面較為平直。鋼側(cè)焊接熔合區(qū)面積較小，但是存在局部熔合區(qū)面積較大且由鋼基體伸入到焊縫中的現(xiàn)象。

(2)當(dāng)實(shí)驗(yàn)頻率為100～120 Hz，應(yīng)力比為0.1，疲勞循環(huán)基數(shù)為1×107時，銅-鋼電子束焊接試樣的平均疲勞極限為48.04 MPa；當(dāng)應(yīng)力大于疲勞極限時，最大應(yīng)力與疲勞斷裂周次近似有如下關(guān)系：

σmax=-58.69lgN+390.79

(3)焊縫與銅基體處的強(qiáng)度為影響該焊接材料疲勞性能的主要因素。無論在何種應(yīng)力情況下，試樣均起裂于焊縫最小截面處。當(dāng)應(yīng)力小于65 MPa時，裂紋源數(shù)目較少且集中在焊縫上表面的邊緣；當(dāng)應(yīng)力增大到80 MPa時，裂紋源數(shù)目顯著增加且由焊縫上表面端點(diǎn)發(fā)散到焊縫上下表面及焊縫內(nèi)部。不論在何種應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋均由焊縫處向銅基體擴(kuò)展。由此得到不等厚異種金屬電子束焊接疲勞斷裂的一般規(guī)律：裂紋容易在焊縫最小截面處(特別是焊縫上表面的端點(diǎn)處)萌生，在疲勞過程中有向異種金屬中強(qiáng)度較低的金屬基體擴(kuò)展的傾向。