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(diǎn)[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(yùn)載工具以及相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，這些結(jié)構(gòu)離不開(kāi)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(cái)產(chǎn)帶來(lái)災(zāi)難性的損失。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)接接頭的疲勞性能和相關(guān)的影響因素，而針對(duì) 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(dòng)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文作者對(duì) 5A06防銹鋁合金母材及其對(duì)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(yàn)，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(duì)疲勞斷裂機(jī)理進(jìn)行初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(jiàn)表1，室溫力學(xué)性能見(jiàn)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(yàn)過(guò)程

鋁合金母材的疲勞試樣經(jīng)機(jī)械加工直接成型；對(duì)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(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用PLG-200D數(shù)字化高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)誤差≤±1%，交變負(fù)荷波動(dòng)度為0.5%FS，平均負(fù)荷波動(dòng)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(duì) 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(duì)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(shí)晶界上均有析出相產(chǎn)生，且由于焊接加熱過(guò)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(yàn)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(duì)數(shù)形式表示為

式中：S為疲勞強(qiáng)度，在本實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(guò)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(guò)5×106次循環(huán)后未發(fā)生疲勞斷裂。

式中:V為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容量,m3;ri為降雨強(qiáng)度曲線上對(duì)應(yīng)降雨歷時(shí)ti的降雨強(qiáng)度,mm/h;rc為調(diào)蓄池出流過(guò)流能力值對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度,mm /h;ti為任意降雨歷時(shí),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(jiàn)表5。由圖4中可知，對(duì)應(yīng)于50%存活率母材的疲勞強(qiáng)度為 99.79 MPa，對(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)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(duì) 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(yàn)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(duì)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(duì)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(duì) 5A06鋁合金母材及其對(duì)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(shí)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(tái)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(guò)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(kāi)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(tái)階，這些臺(tái)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(duì)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(zhǎng)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(yàn)結(jié)果為母材的疲勞強(qiáng)度為99.97 MPa；對(duì)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(yàn)裂紋起裂部位為段標(biāo)內(nèi)截面最小部位，對(duì)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(guò)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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