孫 倩，張 霞，張 罡2，崔小玉，范蕙萍，田 嬌

(1.青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院，山東青島 266106;2.沈陽理工大學(xué)，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(chǎn)生的沖擊力使得工件迅速碰撞而實現(xiàn)焊接的方法。鈦/鋼復(fù)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(fù)合板利用了基材優(yōu)良的力學(xué)性能作為結(jié)構(gòu)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(yīng)用于航空航天、船舶、軍工、化工等領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代，鈦/鋼爆炸復(fù)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(xiàn)在界面組織、力學(xué)性能、電化學(xué)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(fù)合板抗拉強度高于鈦材和鋼材，剪切強度達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求；并檢測到鈦/鋼界面覆材側(cè)存在Ti再結(jié)晶形成的細晶絕熱剪切線。鄭遠謀[9]發(fā)現(xiàn)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(cè)發(fā)生了腐蝕，由于鈦和鐵之間存在電負性差，導(dǎo)致形成原電池效應(yīng)。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(xué)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(fù)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(cè)斷裂。崔建國等[12]對LY12六層爆炸復(fù)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(zhuǎn)折而沿界面擴展，能量大量消耗在界面上,相應(yīng)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(fù)合板疲勞性能考察表明，界面兩側(cè)的材料彈塑性失配對界面裂紋擴展的驅(qū)動力有重要影響。本文以覆板工業(yè)純鈦TA2、基板Q345、爆炸復(fù)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(jīng)爆炸焊接而成的TA2/Q345復(fù)合板。為便于試驗研究，三者均采用6 mm厚度(TA2/Q345復(fù)合板從基板側(cè)厚度方向切掉17 mm)。

1.1 靜態(tài)拉伸試驗

根據(jù)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(fù)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(biāo)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(jù)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(fù)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(cè)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(jù)單點法(σmax=Kσb)測疲勞，依次選取6個應(yīng)力級0.6σb，0.5σb……；試驗時逐漸降低應(yīng)力級別，波形為正弦波，頻率f=30 Hz，應(yīng)力比R=-1，基板和覆板加載次數(shù)107次，爆炸復(fù)合板TA2/Q345加載次數(shù)2×106次。

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過基板Q345、覆板TA2、爆炸復(fù)合板TA2/Q345的拉伸試驗，得到強度和塑性指標(biāo)，其結(jié)果如表1所示。

表1 Q345，TA2，TA2/Q345拉伸試驗結(jié)果

依據(jù)文獻[14]，復(fù)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(fù)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(fù)合板強度和塑性匹配良好，滿足工程應(yīng)用的要求。

根據(jù)經(jīng)驗公式σ-1p=0.23(σs+σb)[15]估算材料疲勞極限(σ-1p:應(yīng)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(fù)合板TA2/Q345∶σ-1p=219 MPa。

2.2 軸向拉-壓高周疲勞試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過基板Q345、覆板TA2、爆炸復(fù)合板TA2/Q345的拉-壓高周疲勞試驗，得到最大應(yīng)力σmax與疲勞壽命N相關(guān)數(shù)據(jù)，其結(jié)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(jié)果

(a)基板Q345 (b)覆板TA2 (c)復(fù)合板TA2/Q345

圖3 疲勞試驗斷裂試樣

將試驗數(shù)據(jù)最大應(yīng)力幅σmax和疲勞壽命N分別取對數(shù)后，采用Origin軟件分別對基板Q345、覆板TA2、爆炸復(fù)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(fù)合板在高的應(yīng)力幅作用下，試樣經(jīng)過較少的循環(huán)次數(shù)即發(fā)生疲勞斷裂，而隨著應(yīng)力級別的降低，試樣疲勞斷裂時所受的循環(huán)次數(shù)升高，最終接近疲勞曲線的水平段，相應(yīng)的應(yīng)力幅值即為各自的疲勞極限(應(yīng)力比R=-1)。

由圖4擬合可得出Q345，TA2，TA2/Q345的最大應(yīng)力幅σmax和疲勞循環(huán)壽命N之間的關(guān)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(fù)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(fù)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(fù)合板TA2/Q345疲勞極限為197 MPa。即復(fù)合板TA2/Q345的疲勞極限介于基板Q345與覆板TA2之間。此試驗結(jié)果與經(jīng)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(fù)合板試驗值偏離預(yù)估值22 MPa?？梢灶A(yù)測，TA2/Q345爆炸復(fù)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(guān)系如下。

基板Q345：

σ-1p=0.40σb

(4)

覆板TA2：

σ-1p=0.42σb

(5)

復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合板TA2/Q345結(jié)合界面不均勻組織、缺陷、成分差異造成的，而且在結(jié)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(yīng)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(yīng)力集中所致，即外表面所受的應(yīng)力比內(nèi)部大，內(nèi)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(nèi)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(yīng)力水平的降低，裂紋擴展區(qū)的面積應(yīng)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(yīng)力369 MPa

(b)循環(huán)應(yīng)力258.3 MPa

圖5 Q345疲勞宏觀斷口

基板Q345在最大循環(huán)應(yīng)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(yīng)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(yīng)外加應(yīng)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(yīng)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(jù)Smith模型，每經(jīng)過一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經(jīng)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(chǎn)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(shù)量與循環(huán)次數(shù)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力循環(huán)一周、裂紋擴展的距離，且循環(huán)應(yīng)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(xiàn)了分枝，二次裂紋起裂后，局部應(yīng)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(chǎn)生較多二次裂紋。

(a)

(b)

圖8 TA2疲勞微觀斷口

3.3 復(fù)合板TA2/Q345疲勞斷口分析

3.3.1 復(fù)合板TA2/Q345疲勞宏觀斷口分析

復(fù)合板TA2/Q345在最大循環(huán)應(yīng)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(fù)合板TA2/Q345爆炸焊的波狀結(jié)合界面，疲勞斷口屬于脆性斷裂；在不同的應(yīng)力幅下，疲勞斷口呈現(xiàn)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(jié)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(dāng)交變應(yīng)力高于疲勞極限時，部分晶粒內(nèi)出現(xiàn)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(nèi)部的滑移帶稱為駐留滑移帶。當(dāng)表面駐留滑移帶形成后，由于不可逆的反復(fù)變形，便在金屬表面形成“擠出脊”和“擠入溝”現(xiàn)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(jié)合界面圖9(a),(c)裂紋源的放大圖，可以看出界面出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。究其原因：(1)兩種材料的力學(xué)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(jié)合界面產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力；(2)兩種材料晶體結(jié)構(gòu)不同，Q345是體心立方結(jié)構(gòu)，TA2是密排六方結(jié)構(gòu)，在不可逆的反復(fù)交變應(yīng)力下，晶格缺陷的移動和聚集會使結(jié)合界面產(chǎn)生附加的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jīng)爆炸復(fù)合后結(jié)合界面處發(fā)生相應(yīng)的塑性變形，無論是Q345側(cè)出現(xiàn)等軸細晶區(qū)[7]，還是TA2側(cè)由于塑性變形出現(xiàn)孿晶[21]，在交變載荷下均會在界面處產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力?；谝陨?種應(yīng)力的作用使得結(jié)合界面出現(xiàn)了開裂，也是疲勞裂紋源萌生地之一，降低了鈦/鋼復(fù)合板的疲勞比。

圖9(b),(d)中出現(xiàn)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(dāng)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(dāng)裂紋擴展到結(jié)合界面時會發(fā)生錯斷。

另從疲勞裂紋擴展動力學(xué)原因分析，裂紋前沿的應(yīng)力強度因子范圍ΔK[23]是控制裂紋擴展的驅(qū)動力，對雙金屬而言，假設(shè)兩組元均有裂紋源，則兩金屬的應(yīng)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(qū)動力大于覆板TA2實際驅(qū)動力，即當(dāng)兩側(cè)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(xiàn)在基板Q345側(cè)，除非TA2表面比Q345有更大應(yīng)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(cè)。

3.3.2 復(fù)合板TA2/Q345疲勞微觀斷口分析

復(fù)合板TA2/Q345基板側(cè)微觀斷口如圖10所示。

圖10 復(fù)合板 TA2/Q345基板側(cè)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(cè)不斷重復(fù)張開和閉合。裂紋源有些白亮物質(zhì)，主要是一些非金屬夾雜物或氧化物。圖10(b)為基板Q345側(cè)疲勞擴展區(qū)放大圖，結(jié)合界面出現(xiàn)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(biāo)出裂紋擴展方向，從基板Q345側(cè)擴展至復(fù)合界面，而又至覆板TA2側(cè)，這點可以從上述疲勞裂紋擴展動力學(xué)原因解釋。

由圖10(c)可以看出，基板Q345側(cè)多源裂紋擴展交匯時形成臺階，呈現(xiàn)“爬坡”現(xiàn)象，臺階與主應(yīng)力方向有一定的夾角。圖10(d)是圖10(c)的局部放大圖，呈現(xiàn)解理斷口，具有結(jié)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(fù)合板TA2/Q345覆板TA2側(cè)微觀斷口如圖11所示。圖11(a)為覆板TA2側(cè)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(cè)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(fù)合板TA2/Q345覆板側(cè)微觀斷口

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

4 結(jié)論

(1)爆炸復(fù)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(fù)合板TA2/Q345最大應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)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(fù)合板TA2/Q345疲勞強度與抗拉強度滿足σ-1p=0.31σb，復(fù)合板疲勞比較小，抵抗疲勞作用的能力較差。

(4)爆炸復(fù)合板TA2/Q345疲勞斷口呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)、金相組織的差異，造成復(fù)合板結(jié)合界面開裂，亦是裂紋源之一。

(5)爆炸復(fù)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(xiàn)了“爬坡”現(xiàn)象，且覆板TA2自身出現(xiàn)了“剝離撕裂”現(xiàn)象。