劉鵬濤, 趙秀娟, 劉昕, 齊 健, 陳春煥, 王亞軍, 任瑞銘

(1.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116028;2.北京航空制造工程研究所,北京 100024)

電子束焊接是一種先進(jìn)的高能束流加工技術(shù),具有能量密度高、加熱范圍窄、焊接變形小、焊縫熔深比大、生產(chǎn)效率高等常規(guī)焊接方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子及汽車等領(lǐng)域[1]。鈦合金因其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn),成為航空航天行業(yè)不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。但鈦合金的應(yīng)用存在一個(gè)問題：鈦合金極易吸氫,少量的氫可導(dǎo)致材料性能大幅度下降,特別是當(dāng)鈦合金在氫氣氛或在一些腐蝕性的液體環(huán)境中使用時(shí),容易因溶解的固溶氫或形成的氫化物造成氫脆[2]。由于鈦合金電子束焊接構(gòu)件在設(shè)計(jì)的使用環(huán)境中有吸氫的可能性,因此,研究氫對(duì)鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)的影響顯得十分必要。

目前,國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氫影響鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為方面的研究較多,已經(jīng)有大量的研究成果[3～9],多數(shù)研究者認(rèn)為氫對(duì)動(dòng)載下鈦合金的 da/ dN有明顯的影響,并把疲勞裂紋擴(kuò)展與氫化物聯(lián)系起來。但氫對(duì)鈦合金電子束焊接頭疲勞性能影響方面的研究較少。疲勞裂紋擴(kuò)展速率是決定構(gòu)件疲勞行為的重要特征參量[10],為此,本工作研究了含氫TC4鈦合金電子束焊接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,總結(jié)了氫對(duì)da/dN的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為 20mm厚的 TC4鈦合金板材,在ZD150-15A型電子束焊機(jī)上進(jìn)行焊接,焊接工藝參數(shù)：加速電壓150 kV,聚焦電流342mA,焊接速率0.8m/min,電子束流48 mA。焊接完成后,在試板厚度方向的中間部位截取緊湊拉伸(CT)試樣,沿垂直于焊接方向分別截取焊縫試樣和母材試樣,其中焊縫試樣的缺口開在焊縫中心。采用標(biāo)準(zhǔn) CT試樣,其有效寬度W=50 mm,厚度B=10 mm,預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a0=8.0mm。采用高溫氣體法進(jìn)行充氫試驗(yàn),其工藝為：750℃/2h,空冷至室溫。通過調(diào)節(jié)氫氣流速和充氫時(shí)間來獲得不同的氫含量。試樣充氫后采用高精度物理天平(精確到 10-5g)測(cè)量含氫量,3組試樣氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下同)分別為：0.028%, 0.054%,0.101%。

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)按照 GB/T 6398—2000進(jìn)行,采用恒載荷幅法,波形為正弦波,載荷應(yīng)力比為0.1。疲勞裂紋擴(kuò)展速率 da/dN采用割線法計(jì)算。C(T)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔΚ按ASTM E647計(jì)算得出。

對(duì)不同氫含量的 TC4鈦合金母材和焊縫試樣分別進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù),繪制da/dN-ΔK曲線。采用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察斷口形貌及接頭各區(qū)顯微組織,用 H-800型透射電鏡選區(qū)衍射技術(shù)分析相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氫對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響

圖1為不同氫含量的 TC4鈦合金母材試樣的da/dN-ΔK曲線,由圖可見,母材試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展過程明顯分為三個(gè)區(qū),即低速擴(kuò)展區(qū),穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)(也稱Paris區(qū))和失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)。在低速擴(kuò)展區(qū),未充氫試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最低,氫含量0.028%試樣的裂紋擴(kuò)展速率略高于未充氫試樣,當(dāng)氫含量增加到 0.054%以上時(shí),裂紋擴(kuò)展速率明顯提高。在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)(Pairs區(qū)),氫對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響較小,不同氫含量試樣的裂紋擴(kuò)展速率非常接近。在失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū),與未充氫試樣相比,充氫后裂紋擴(kuò)展速率明顯提高,但不同氫含量之間裂紋擴(kuò)展速率的差別不大。

圖1 不同氫含量的母材試樣的da/dN-ΔK曲線Fig.1 da/dN-ΔK curves of basemetal specimens with differenthydrogen contents

不同氫含量的焊縫試樣的da/dN-ΔK曲線如圖2所示。在低速擴(kuò)展區(qū),相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK下,充氫試樣的裂紋擴(kuò)展速率均高于未充氫試樣,但不同氫含量試樣之間的裂紋擴(kuò)展速率差別不明顯。隨著 ΔK的降低,未充氫試樣的裂紋擴(kuò)展速率迅速降低,而充氫試樣卻降低緩慢,因此,充氫試樣將有更低的裂紋擴(kuò)展門檻值。在Paris區(qū),充氫試樣的裂紋擴(kuò)展速率明顯高于未充氫試樣,且隨著氫含量的增加,裂紋擴(kuò)展速率提高,只是在氫含量由0.054%增加到 0.101%時(shí),提高幅度變小,但仍顯示出氫的影響。在失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū),氫含量對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響明顯增大,氫含量越高,裂紋擴(kuò)展速率越大?？傊?在裂紋擴(kuò)展的全過程,充氫焊縫試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均明顯高于未充氫試樣。

圖2 不同氫含量的焊縫試樣的da/dN-ΔK曲線Fig.2 da/dN-ΔK curves ofweld bead specimens with different hydrogen contents

2.2 斷口分析

觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn),氫對(duì)母材試樣和焊縫試樣斷口形貌的影響規(guī)律基本相同,各區(qū)的變化特點(diǎn)也趨于一致。在裂紋擴(kuò)展的第 1階段,即預(yù)裂區(qū),不同氫含量試樣的斷口形貌特征基本相同,為解理斷裂,可看到河流花樣和解理臺(tái)階,同時(shí)也可看到二次裂紋。充氫試樣比未充氫試樣的二次裂紋多且尺寸大。在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),不同氫含量的試樣均有明顯的疲勞條帶,并伴有大量的二次裂紋。充氫試樣比未充氫試樣的疲勞條帶略寬,隨著氫含量的增加,二次裂紋的數(shù)量增多,裂紋寬度增大,甚至有大塊狀脫落出現(xiàn),如圖 3。這表明氫使得材料脆性增大。在失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū),不同氫含量的試樣均為典型的韌性斷裂,主要為等軸韌窩,氫對(duì)這一區(qū)域斷口形貌的影響不大,只是充氫試樣的韌窩較淺,說明充氫后材料變脆,如圖 4所示。我們知道,影響裂紋擴(kuò)展速率的因素很多,但材料韌性的降低將會(huì)促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。

圖3 不同氫含量焊縫試樣斷口穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)形貌(a)氫含量0.028%;(b)氫含量0.101%Fig.3 Fracturemorphologies in the stable crack grow th region of weld bead specimenswith differenthydrogen contents (a)0.028%H;(b)0.101%H

2.3 顯微組織分析

圖4 不同氫含量母材試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)形貌(a)未充氫;(b)氫含量0.101%Fig.4 Fracturemorphologies in the rapid cracking region of basemetal specimens with different hydrogen contents (a)non-hydrogenated;(b)0.101%H

原始 TC4鈦合金母材組織為雙態(tài)組織,見圖5a,暗色為 α相,亮色為 β相。觀察充氫后母材的顯微組織發(fā)現(xiàn),當(dāng)氫含量從0.028%增大到 0.101%時(shí),母材的顯微組織形貌變化不大,只是隨著氫含量的增加,兩相顏色趨近而不易區(qū)分,如圖 5b所示,這是因?yàn)闅涞募尤胧沟?α和 β兩相的電勢(shì)差接近,金相腐蝕后兩相差別變得不明顯[11]。原始 TC4鈦合金電子束接頭的焊縫組織是單一的由較粗大的原始β相轉(zhuǎn)變而成的 α′相,即密排六方馬氏體,見圖 6a。因?yàn)槌錃湓囼?yàn)是一個(gè)高溫氣相充氫過程,加熱溫度達(dá)到 750℃,相當(dāng)于對(duì)鈦合金進(jìn)行了真空退火,焊縫的馬氏體會(huì)發(fā)生分解,分解方式為α′→β+α,圖 6b為氫含量0.101%的接頭焊縫組織,可以看出,充氫后焊縫的組織轉(zhuǎn)變成層片狀 α+β。對(duì)充氫試樣的焊縫區(qū)組織進(jìn)行選區(qū)電子衍射分析,證實(shí)了焊縫的馬氏體發(fā)生了分解,α相與 β相交替析出,生成層片狀 α+β組織,如圖 7所示。隨著氫含量從 0.028%增加到0.101%,焊縫區(qū)組織形貌變化不大。

圖5 未充氫和充氫0.101%試樣母材顯微組織對(duì)比(a)未充氫;(b)氫含量0.101%Fig.5 Microstructures of basemetal specimens (a)non-hyd rogenated;(b)0.101%H

在進(jìn)行TEM觀察時(shí),接頭顯微組織中沒有觀察到氫化物析出,說明在氫含量較低時(shí)(≤0.1%),鈦合金中的氫大部分以固溶方式存在,氫對(duì)鈦合金疲勞性能的影響是一種氫致延遲斷裂的方式。根據(jù)文獻(xiàn)[12],在疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí),鈦合金中固溶的氫在應(yīng)力梯度作用下向應(yīng)力較高地區(qū)(裂紋尖端)擴(kuò)散和聚集,導(dǎo)致在裂紋尖端析出氫化物,這種脆性氫化物相的析出導(dǎo)致和促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。但氫原子的擴(kuò)散需要時(shí)間,當(dāng)氫原子在裂紋尖端擴(kuò)散聚集形成氫化物的速率跟不上裂紋擴(kuò)展的速率時(shí),氫對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響較小。結(jié)合本次試驗(yàn)的結(jié)果得出,在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),不同氫含量母材試樣的da/dN曲線非常接近,說明循環(huán)加載對(duì)材料造成的損傷大于固溶氫的影響,氫對(duì)da/dN的影響很小。對(duì)于充氫焊縫試樣,在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),充氫試樣的裂紋擴(kuò)展速率要高于未充氫試樣,因?yàn)槌錃溻伜辖鸬暮缚p組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,由針狀馬氏體分解為層片狀 α+β,充氫后試樣的裂紋擴(kuò)展速率升高,說明顯微組織的轉(zhuǎn)變對(duì)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)裂紋擴(kuò)展速率影響顯著。另一方面,這也說明了針狀馬氏體組織比細(xì)小的層片狀 α+β組織具有更高的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

3 結(jié)論

(1)充氫母材試樣的da/dN-ΔK曲線分為3個(gè)區(qū),在低速擴(kuò)展區(qū),當(dāng)氫含量增加到 0.054%以上時(shí),裂紋擴(kuò)展速率明顯提高。在Paris區(qū),氫對(duì)試樣裂紋擴(kuò)展速率的影響較小。在失穩(wěn)快速擴(kuò)展區(qū),氫的存在明顯提高了試樣的裂紋擴(kuò)展速率,但不同氫含量之間裂紋擴(kuò)展速率的差別不大。對(duì)于焊縫試樣,充氫試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在裂紋擴(kuò)展的全過程均明顯高于未充氫試樣。

(2)氫對(duì)TC4鈦合金母材和焊縫斷口形貌的影響規(guī)律基本相同,在裂紋預(yù)裂區(qū)和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),隨著氫含量的增加,二次裂紋數(shù)量增多,且裂紋寬度增大,表明材料脆性增大。在失穩(wěn)快速擴(kuò)展區(qū),不同氫含量的試樣都為典型韌性斷裂,充氫試樣的韌窩較淺。

(3)在Paris區(qū),組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有顯著影響,電子束焊接頭焊縫的針狀馬氏體組織比層片狀α+β組織具有更高的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

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