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        AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕疲勞裂紋擴展行為

        2021-07-30 03:21:38蘆麗莉李婷朱忠尹
        焊接 2021年5期
        關(guān)鍵詞:氫脆尖端細小

        蘆麗莉, 李婷, 朱忠尹

        (1.中國核動力研究設(shè)計院,成都 610000;2.西南交通大學(xué),成都 610031)

        0 前言

        鎂合金作為輕量化材料,在高速列車車鉤等關(guān)鍵部件已經(jīng)得到了廣泛的使用。但由于鎂合金自身化學(xué)性質(zhì)活潑,在外加應(yīng)力和潮濕環(huán)境中的Cl-,H2O等腐蝕環(huán)境的共同影響之下,在實際服役條件下,鎂合金及其焊接結(jié)構(gòu)件往往承受持續(xù)穩(wěn)定載荷、交變循環(huán)載荷及腐蝕介質(zhì)環(huán)境等因素的影響,其中疲勞斷裂引起的損傷占整個失效形式的80%以上[1-2]。因此,通過研究鎂合金及其接頭的耐腐蝕性能和腐蝕裂紋擴展行為,對其裂紋機理和規(guī)律進行分析,對實際工程應(yīng)用具有重要價值。

        在分析前期研究的基礎(chǔ)上,以AZ31鎂合金為研究對象,采用高速列車成熟的攪拌摩擦焊接工藝,得到成形良好的接頭。分別在空氣環(huán)境和質(zhì)量分數(shù)為1%的NaCl的溶液中進行腐蝕疲勞試驗,對比分析接頭各區(qū)域的腐蝕疲勞裂紋擴展行為,探究其腐蝕疲勞裂紋擴展機理。

        1 試驗方法

        試驗所用材料為商用AZ31鎂合金軋制板材,尺寸為300 mm×150 mm×8 mm,長度方向為軋制方向。沿軋制方向抗拉強度達260~290 MPa,斷后伸長率為3%~15%。母材化學(xué)成分見表1。AZ31鎂合金微觀組織如圖1所示,圖1a展示了粗大晶粒沿著軋制方向延伸,其中夾雜著回復(fù)再結(jié)晶小晶粒。如圖1b所示,鎂合金基體上分布著Mg-Al第二相[3-4],其大多沿著晶界分布。焊接設(shè)備為龍門式二維攪拌摩擦焊設(shè)備,攪拌頭型號為AEE/PA.8MM/002/014,由軸肩和攪拌針組成,攪拌針長度為7.8~8.0 mm[5],焊接工藝參數(shù)見表2。

        表2 AZ31鎂合金FSW參數(shù)

        圖1 AZ31鎂合金金相組織

        表1 AZ31鎂合金母材成分(質(zhì)量分數(shù),%)

        AZ31鎂合金及其攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域的腐蝕疲勞裂紋擴展試驗采用改進的SENT試樣,試樣尺寸及取樣位置如圖2所示。

        圖2 試樣尺寸及取樣位置

        在AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的母材、熱影響區(qū)、前進側(cè)熱力影響區(qū)、焊核、后退側(cè)熱力影響區(qū)分別取樣測試,每個部位3個平行樣。試樣增加固定在缺口附近的塑料水槽以盛裝1%NaCl溶液(質(zhì)量分數(shù)),以模擬腐蝕介質(zhì)環(huán)境。試驗在立式疲勞機上進行,應(yīng)力比R=0.3,最大力2kN,頻率f=0.5Hz,正弦波加

        (1)

        式中:α=a/W;a為裂紋長度;W為試樣寬度;B為試樣厚度;ΔP為載荷幅值。

        2 試驗結(jié)果及討論

        2.1 腐蝕疲勞宏觀裂紋

        圖3給出了AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域的腐蝕疲勞宏觀裂紋,每個區(qū)域都觀察到腐蝕疲勞裂紋擴展的情況,且隨著裂紋擴展,裂紋尺寸越來越細小,裂紋尖端出現(xiàn)不同程度的裂紋分叉情況。母材區(qū)域(圖3a)和熱影響區(qū)(圖3b)的裂紋比較曲折,前進側(cè)熱力影響區(qū)(圖3c)、焊核區(qū)(圖3d)、后退側(cè)熱力影響區(qū)(圖3e)的裂紋比較平滑。

        圖3 接頭各區(qū)域腐蝕疲勞裂紋宏觀形貌

        2.2 腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

        圖4為AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭在空氣中的疲勞裂紋的擴展速率曲線(da/dN-ΔK關(guān)系曲線),可以看出在裂紋擴展起始階段,母材區(qū)域門檻值最低,裂紋最容易擴展,而在裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)域,焊核區(qū)域的裂紋擴展速率最快,前進側(cè)熱力影響區(qū)的裂紋擴展速率最慢。為更加直觀地描述各區(qū)域疲勞裂紋擴展的規(guī)律,將各區(qū)曲線的穩(wěn)定擴展區(qū)擬合成Paris公式(2),結(jié)果見表3。

        表3 Paris公式擬合結(jié)果

        圖4 接頭各區(qū)域在不同腐蝕環(huán)境下疲勞裂紋擴展速率曲線

        (2)

        式中:a為裂紋長度;N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù);C,m是和材料有關(guān)的常數(shù);ΔK是應(yīng)力強度因子變化范圍。

        2.3 腐蝕疲勞裂紋擴展斷口形貌

        圖5給出了母材區(qū)域腐蝕疲勞裂紋擴展斷口的宏觀形貌。如圖5a所示,斷口由預(yù)制裂紋區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)組成,將擴展區(qū)放大如圖5b所示,斷口上具有棱狀凸起和河流花樣形貌。

        圖5 母材腐蝕疲勞裂紋斷口宏觀形貌

        將斷口置于掃描電鏡下觀察,如圖6a所示,斷口存在許多彼此平行的解理臺階、解理平面和撕裂狀形貌。斷口中發(fā)現(xiàn)垂直于裂紋擴展方向的疲勞輝紋,如圖6b所示,彼此平行且間距相等,由于腐蝕的原因而模糊不清。疲勞輝紋是材料受到循環(huán)載荷作用的顯著特征。圖6c中觀察到沿著裂紋擴展的方向,存在均勻分布的二次裂紋,這與材料在腐蝕介質(zhì)中變脆和鎂合金的特殊織構(gòu)有關(guān)。圖6d呈現(xiàn)了垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋,裂紋周圍存在規(guī)律分布的相互平行又間距相等的滑移帶,二次裂紋沿著滑移帶開裂。

        圖6 裂紋擴展區(qū)微觀形貌

        2.4 腐蝕疲勞裂紋擴展路徑分析

        圖7給出了AZ31鎂合金接頭各區(qū)域空氣環(huán)境裂紋擴展路徑圖,如圖7a所示,母材區(qū)域的疲勞裂紋擴展路徑比較平直,越靠近末端裂紋愈加細小,裂紋中未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋分叉。將裂紋尖端放大如圖7a中Ⅰ所示,發(fā)現(xiàn)裂紋是明顯的穿晶擴展,裂紋貫穿母材的粗大晶粒,部分晶粒中存在流線型的原始微觀組織[6]。如圖 7b所示,熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展路徑比較平直,裂紋整體向上有所偏離,裂紋末端細小,未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋分叉,這可能是由于材料并未受到腐蝕介質(zhì)的作用,因此宏觀上未發(fā)現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。將裂紋尖端放大如圖7b中Ⅱ所示,發(fā)現(xiàn)裂紋是明顯的穿晶擴展,裂紋貫穿熱影響區(qū)的粗大晶粒,部分晶粒中存在流線型的原始微觀組織。在進行攪拌摩擦焊時,熱影響區(qū)并未受到機械攪拌的作用,僅僅受到焊接熱循環(huán)作用,導(dǎo)致其組織與母材相近。如圖 7c所示,焊核區(qū)越靠近裂紋尾部尺寸越加細小,未發(fā)現(xiàn)明顯宏觀裂紋分叉,這是由于材料并未受到腐蝕介質(zhì)的作用的原因。將裂紋尖端放大如圖7c中Ⅲ所示,發(fā)現(xiàn)焊核區(qū)域晶粒是均勻細小的等軸晶,裂紋附近晶粒均勻細小,存在大小各異的第二相顆粒,裂紋主要是以穿晶形式進行擴展,裂紋路徑出現(xiàn)分叉和彎折現(xiàn)象。

        圖7 接頭各區(qū)域空氣環(huán)境裂紋擴展路徑

        圖8給出了AZ31鎂合金接頭各區(qū)域在質(zhì)量分數(shù)為1% NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展路徑圖。如圖8a所示,相比于空氣中的裂紋路徑(圖7),腐蝕環(huán)境中的裂紋擴展路徑出現(xiàn)多處彎折和裂紋分叉現(xiàn)象,裂紋中部發(fā)現(xiàn)裂紋“閉環(huán)”狀和裂紋“跳躍”形貌,裂紋尾部細小。裂紋末端發(fā)現(xiàn)主裂紋附近伴隨著同方向擴展的微裂紋,這是由于氫脆現(xiàn)象所致。裂紋分叉是氫脆現(xiàn)象和陽極溶解2種機理在裂紋形態(tài)上的區(qū)別,連續(xù)的裂紋分支形貌往往是陽極溶解所致[7]。從裂紋形貌判斷,母材的腐蝕疲勞裂紋擴展同時具有氫脆和陽極溶解2種現(xiàn)象。將裂紋尾部放大如圖8中 Ⅰ 所示,裂紋彎折呈“Z”字形,主要是穿晶擴展,裂紋貫穿母材的粗大晶粒,發(fā)現(xiàn)相互平行的裂紋“跳躍”現(xiàn)象,由于在氫脆現(xiàn)象的作用下,裂紋沿著該處的“軟取向”組織開裂所致。在母材粗大的晶粒中發(fā)現(xiàn)方向不一的相互平行和重疊的流線,在外加應(yīng)力作用下塑性變形導(dǎo)致的滑移線。圖8b所示,相比于空氣中裂紋路徑(圖7),腐蝕環(huán)境中的裂紋擴展路徑出現(xiàn)多處彎折,裂紋中部發(fā)現(xiàn)裂紋“閉環(huán)”狀和裂紋“跳躍”形貌,裂紋尾部細小,未見明顯宏觀分叉。將裂紋路徑放大如圖8b中 Ⅱ 所示,裂紋以穿晶的形式擴展,兩個裂紋環(huán)狀形貌連接形成鏈狀形貌,粗大的第二相集中分布在晶界。在裂紋路徑中發(fā)現(xiàn)孔洞狀形貌,這是由于第二相或者晶粒在此腐蝕脫落形成的[8]。如圖8c所示,相比于空氣中裂紋路徑(圖7),腐蝕環(huán)境中的裂紋擴展路徑比較曲折,裂紋中部發(fā)現(xiàn)裂紋“閉環(huán)”和分叉形貌,裂紋尾部細小,出現(xiàn)裂紋“跳躍”情況。將裂紋路徑放大如圖8c中Ⅲ所示,裂紋以穿晶的形式擴展,在裂紋路徑中發(fā)現(xiàn)球形形貌,兩側(cè)裂紋壁中間夾雜著腐蝕掉的材料。裂紋路徑周圍第二相分布與裂紋路徑形成連線。裂紋有較多分叉和彎折現(xiàn)象。

        圖8 接頭各區(qū)域腐蝕環(huán)境裂紋擴展路徑

        為進一步分析腐蝕疲勞裂紋擴展路徑和裂紋尖端微觀組織變化,將裂紋尖端置于掃描電鏡下進行EBSD觀察,結(jié)果如圖9所示。圖9a的IPF圖可以判斷裂紋與晶粒的關(guān)系,裂紋主要是穿晶擴展,遇到細小的晶粒時存在少量沿晶擴展現(xiàn)象。裂紋在藍色塊的大晶粒內(nèi)部擴展時,出現(xiàn)了裂紋彎折和“跳躍”情況,裂紋附近伴隨著細小的晶粒。圖9b的IPF圖可以判斷裂紋主要是穿晶擴展形式,遇到細小的晶粒時存在少量沿晶擴展,并且在細小晶粒處,裂紋往往出現(xiàn)彎折現(xiàn)象。圖9c的IPF圖可以判斷裂紋主要是穿晶擴展,遇到細小的晶粒時存在少量沿晶擴展,裂紋尖端附近晶粒取向較為一致,這是因為焊核區(qū)域在進行攪拌摩擦焊時,在機械攪拌和焊接熱循環(huán)作用下,晶粒擇優(yōu)取向,形成(0001)織構(gòu)的原因[9]。

        圖9 接頭各區(qū)域腐蝕疲勞裂紋尖端附近EBSD結(jié)果

        3 腐蝕機理分析

        AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域的腐蝕疲勞裂紋擴展機理主要是裂紋尖端的陽極溶解和氫脆機理。在腐蝕介質(zhì)中,AZ31鎂合金的α-Mg基體上的β-Mg17Al12第二相顆粒往往作為陰極,基體作為陽極,在電化學(xué)反應(yīng)過程中基體金屬被腐蝕形成腐蝕產(chǎn)物,裂紋在基體溶解過程中擴展。而陰極的析氫腐蝕導(dǎo)致氫附著在基體上并擴散進材料內(nèi)部,導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)斷裂力學(xué)理論,裂紋附近處于平面應(yīng)變狀態(tài),氫往往在裂紋尖端等應(yīng)力集中區(qū)域擴散,材料中存在氫陷阱如第二相顆粒、孔洞等,氫往往在這些地方富集導(dǎo)致裂紋萌生并擴展,引發(fā)裂紋“跳躍”現(xiàn)象,而在裂紋路徑中觀察到的圓球狀花樣、孔洞花樣也是這樣形成的[10-12]。

        4 結(jié)論

        (1)AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域隨著裂紋擴展,裂紋尺寸越來越細小,裂紋尖端出現(xiàn)不同程度的裂紋分叉情況。母材區(qū)域和熱影響區(qū)的裂紋比較曲折,焊核區(qū)的裂紋比較平滑,將其裂紋尾部放大發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)和焊核區(qū)域裂紋尾部宏觀分叉較少。

        (2)接頭各區(qū)域在空氣環(huán)境下,在裂紋擴展起始階段,母材區(qū)域門檻值最低,裂紋最容易擴展,而在裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)域,焊核區(qū)域的裂紋擴展速率最快。在腐蝕疲勞環(huán)境下,母材區(qū)域的門檻值最小,最容易發(fā)生擴展行為。

        (3)接頭各區(qū)域在質(zhì)量分數(shù)為1%的NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展門檻值和強度均低于在空氣環(huán)境中的情況,而裂紋擴展速度高于在空氣環(huán)境中的裂紋擴展速度,證明質(zhì)量分數(shù)為1%的NaCl溶液腐蝕介質(zhì)對材料產(chǎn)生了損傷,減弱其疲勞性能。

        (4)接頭各區(qū)域在質(zhì)量分數(shù)為1%的NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展路徑和裂紋形貌可以看出,腐蝕環(huán)境中的裂紋擴展路徑出現(xiàn)多處彎折和裂紋分叉現(xiàn)象,裂紋中部發(fā)現(xiàn)裂紋“閉環(huán)”狀和裂紋“跳躍”形貌,裂紋尾部細小。裂紋末端發(fā)現(xiàn)主裂紋附近伴隨著同方向擴展的微裂紋,這是由于氫脆現(xiàn)象所致。連續(xù)的裂紋分支形貌往往是陽極溶解所致。

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