何柏林

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013）

超聲沖擊對鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究現(xiàn)狀

何柏林

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013）

概述了鎂合金及鎂合金焊接接頭疲勞性能國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了目前鎂合金焊接接頭疲勞性能研究存在的問題與不足，最后分析了提高鎂合金焊接接頭疲勞性能和疲勞壽命的研究趨勢。超聲沖擊方法不僅可以有效地降低焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，降低接頭的殘余拉伸應(yīng)力，甚至在焊接接頭表面造成殘余壓應(yīng)力，還可以細化焊縫及其附近區(qū)域的顯微組織，甚至達到表面納米化組織，該方法對提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能和疲勞壽命具有很大的作用。

鎂合金，焊接接頭，疲勞性能，超聲沖擊

鎂是所有結(jié)構(gòu)用金屬及合金材料中密度最低的。與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及鎂合金具有比強度、比剛度高、減震性、電磁屏蔽和抗輻射能力強，易切削加工，易回收等優(yōu)點[1-6]，在汽車、電子、電器、交通、航天、航空和國防軍事工業(yè)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。是繼鋼鐵材料、鋁合金之后的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料，并被稱為21世紀的綠色工程材料。目前，鎂及鎂合金材料的研究成為世界性的熱點。但是，由于鎂合金具有性質(zhì)活潑、熔點低、導熱快、熱膨脹系數(shù)大等特點[7]，與鋁合金相比，鎂合金在焊接時更易形成疏松、熱脆性較大的氧化膜及夾渣，其焊接性較差[8]，鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度較低[9-10]，成為制約鎂合金大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵和難點。

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。大量統(tǒng)計資料[11]表明，由于疲勞引起的焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故占總斷裂失效事故的90%左右。焊接接頭附近區(qū)域存在應(yīng)力集中、殘余拉伸應(yīng)力和焊接缺陷是導致疲勞斷裂的主要因[12]。目前，國內(nèi)外對于鎂合金焊接方面的研究還主要集中在鎂合金材料的焊接方法、焊接性能、工藝性能以及常規(guī)力學性能的試驗研究，有關(guān)鎂合金焊接接頭的疲勞強度及疲勞性能研究較少，疲勞數(shù)據(jù)相當缺乏。因此，如何提高鎂合金焊接接頭的疲勞強度與疲勞性能，對增加鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，促進鎂合金結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用具有重大的推進作用。

與傳統(tǒng)的粗晶粒材料相比，納米以及超細晶粒材料通常具有獨特的力學性能，如超高強度、高硬度和高疲勞性能等。最近，表面納米化已引起國際同行的廣泛關(guān)注，被認為是今后幾年內(nèi)納米材料研究領(lǐng)域最有可能取得實際應(yīng)用的技術(shù)之一。本文概述了鎂合金及鎂合金焊接接頭疲勞性能國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前鎂合金焊接接頭疲勞性能研究存在問題與不足，最后提出了提高鎂合金焊接接頭疲勞性能和疲勞壽命的研究趨勢。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前有關(guān)鎂合金疲勞問題的研究報道主要集中在疲勞裂紋的萌生與疲勞裂紋的擴展行為、循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為、S-N曲線、ε-N曲線等。張華等[13]在研究3種快速凝固鎂合金的疲勞行為時發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)變幅加載的條件下，3種鎂合金都表現(xiàn)為初始循環(huán)軟化，而后則表現(xiàn)為持續(xù)周期很長的循環(huán)穩(wěn)定，在最終斷裂之前，又發(fā)生快速的循環(huán)軟化、微觀疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴展與合并，可形成一條或多條宏觀裂紋，引起鎂合金力學性能的下降，致使合金發(fā)生循環(huán)軟化直至斷裂。在不同應(yīng)變幅下的疲勞斷口的形貌是相似的，即在宏觀上呈現(xiàn)脆斷特征，在微觀上表現(xiàn)為脆性與韌性的混合斷裂。Eisenmeier等[14]在研究壓鑄鎂合金的疲勞性能時發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋常常萌生于表面或次表面的氣孔處。Mayer等[15]采用在一定循環(huán)周次后停機，用SEM（Scanning Electron Microscope）對相應(yīng)的疲勞試樣的表面復型進行觀察，實驗結(jié)果表明，在控制應(yīng)變的條件下，疲勞裂紋的擴展是通過小裂紋的合并進行的。疲勞裂紋既可以沿著枝晶區(qū)域擴展，也可以直接穿過枝晶區(qū)擴展，主要取決于鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)。在較小的壓應(yīng)力作用下，疲勞裂紋會發(fā)生閉合，在小的拉應(yīng)力作用下，疲勞裂紋則會張開。Wang等[16]在研究鑄態(tài)AM50合金的疲勞裂紋擴展行為時發(fā)現(xiàn)，在疲勞應(yīng)力作用下，疲勞裂紋將萌生在α-Mg基體相的晶界處，而后疲勞裂紋沿著α-Mg與共晶體之間的界面擴展，但并不會貫穿整個α-Mg晶粒尺寸，當外加疲勞載荷接近或者超過合金的屈服強度時，由于晶界滑移將會導致疲勞裂紋產(chǎn)生二次裂紋。Nan等[17]在研究擠壓態(tài)AZ31鎂合金的高周疲勞性能時發(fā)現(xiàn)，在疲勞過程的變形初期，疲勞裂紋優(yōu)先在Mg12Al17晶粒處萌生，隨后以I型和Ⅱ型復合模式穿晶擴展。高洪濤等[18]在研究鎂合金疲勞強度與疲勞性能時發(fā)現(xiàn)，當應(yīng)力幅略高于材料的疲勞極限時，裂紋擴展會受到晶界的阻礙作用，出現(xiàn)非平面滑移，將會導致斷裂面兩側(cè)晶體的高度差異顯著增大；當疲勞循環(huán)周次達到使裂紋端部積聚的能量達到足以克服晶界的阻礙作用時，疲勞裂紋就可以穿過晶界向相鄰晶粒中擴展，非平面滑移積聚在晶界處的能量將得到釋放，導致斷裂面兩側(cè)晶體間的高度差異顯著減小，此時，由于疲勞裂紋開始的時候以I型模式擴展，裂紋寬度迅速增大。在全反向加載的條件下，如果疲勞裂紋尖端的應(yīng)力場強度因子較小，晶界及原有的第二相粒子將阻礙裂紋的擴展，疲勞裂紋在擴展過程中將避開枝晶間區(qū)域，而是在成分相對比較均勻的枝晶內(nèi)部擴展，并形成清晰的疲勞條紋；如果疲勞裂紋尖端應(yīng)力場強度因子較大，第二相粒子的破碎以及夾雜物與基體之間的分離將形成疲勞裂紋擴展的有利通道，疲勞裂紋將沿著枝晶間區(qū)域擴展，并在斷口上形成鋸齒狀條紋。

目前，鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究鮮有報道，大部分研究是在探討鎂合金焊接工藝方法的過程中才提及的。Cavaliere[19]等研究了AZ91鎂合金攪拌摩擦焊（FSW）焊接接頭的疲勞性能，認為經(jīng)過攪拌摩擦焊后，材料原有的鑄造缺陷得到有效消除，降低了疲勞裂紋的擴展速率，提高了焊接接頭的疲勞壽命；Tsujikawa Masato等[20]研究了AZ31和AZ61的攪拌摩擦焊和TIG焊焊接接頭的疲勞性能，試驗結(jié)果表明，AZ31鎂合金焊接接頭的疲勞強度可以達到母材金屬的80%左右，AZ61鎂合金焊接接頭的疲勞強度可以達到母材金屬的60%，兩種材料焊接接頭的疲勞斷口都呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，焊接接頭的顯微組織顯著地影響著疲勞裂紋的擴展方向；Mohlfahrt等[21]研究了厚度為1.35～5.0 mm的AZ31和AZ61兩種鎂合金的MIG焊接頭的疲勞性能，其研究結(jié)果與文獻[20]中的結(jié)論有較大差異，得到的焊接接頭的疲勞性只能達到母材的50%，通過強化處理能達到母材強度的75%；Draugelates等[22]采用非中空電子束焊接鎂合金，試驗結(jié)果表明，得到了令人滿意的接頭疲勞強度。

細化晶粒是提高金屬強度和韌性的有效手段之一。金屬表面自身納米化是由LuKe等[23]率先提出的，是近幾年發(fā)展起來的一種特殊的表面強化技術(shù)。它采用沖擊機械能使金屬材料表面產(chǎn)生大塑性變形，從而細化表層金屬組織，提高表面層的強度。與其它納米材料制備方法不同的是，材料表面自身納米化采用常規(guī)表面處理技術(shù)或?qū)Ρ砻嫣幚砑夹g(shù)進行改進即可實現(xiàn)。表面納米化材料的組織沿厚度方向呈梯度變化，在使用過程中不會發(fā)生剝層和分離。

張金旺等[24]采用超聲噴丸處理AZ31鎂合金TIG焊焊接接頭，研究結(jié)果表明，AZ31鎂合金母材的疲勞強度為57.8 MPa，角焊縫接頭和十字接頭的疲勞強度分別為20.0 MPa和17.2 MPa（2×106周次）。兩種焊接接頭在超聲噴丸處理后的的疲勞強度分別為30.3 MPa和24.7 MPa，疲勞強度分別提高了51.5%和43.6%，載荷在40 MPa時的疲勞壽命比未沖擊的試樣壽命分別提高了2.74倍和1.05倍。文獻[25]指出：細化晶粒相當于減小了位錯平均滑移距離，減小了在晶界上位錯塞積所引起的應(yīng)力集中，有利于抑制裂紋的萌生。此外，由于塑性變形表面納米化層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，可抵消掉部分或全部拉應(yīng)力，減小裂紋擴展速率，從而改善金屬材料抗疲勞性能?；袅⑴d等[26]對幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對接和十字接頭實施沖擊處理，進行了焊態(tài)與沖擊態(tài)的彎曲與拉伸兩種加載方式的疲勞對比試驗，分別獲得了沖擊處理前后的σ-N曲線及條件疲勞極限（2×106周次），結(jié)果表明，超聲沖擊處理后，Q235B對接接頭條件疲勞極限（2×106周次）提高了57%（拉伸），十字接頭（4點彎曲）提高了64%。16Mn對接接頭條件疲勞極限（2×106周次）提高了90%（拉伸），十字接頭（拉伸）提高了67%。何柏林等[27]對AZ91D鎂合金進行超聲沖擊處理，結(jié)果表明，經(jīng)過超聲沖擊強化處理，樣品表面的晶粒得到明顯細化，在超聲沖擊時間分別為20，30，50 min時，AZ91D鎂合金表面劃痕硬度分別提高了7.2%，16.96%，28.90%，磨損2 min和5 min的耐磨性分別提高了39.63%和37.56%。

Ovid’ko IA[28]對納米晶材料的變形與擴散模型進行了研究，探討了晶格位錯滑移、晶界滑移、晶界擴散蠕變、旋轉(zhuǎn)滑移等因素之間的相互影響，建立了納米晶材料的變形與擴散模型。

Hanlon T等[29]采用平均晶粒尺寸小于100 nm的納米晶材料、100～1 000 nm的微納米晶材料以及微米晶材料，探討了晶粒細化對摩擦損傷和滑動接觸疲勞損傷的影響，結(jié)果表明，納米晶材料不僅能夠很好地抵抗摩擦損傷和滑動接觸疲勞損傷，而且表面的磨擦系數(shù)較微納米晶材料以及微米晶材料小很多。細化晶粒和強度提高都增強了材料表面抵抗摩擦損傷和滑動接觸疲勞損傷的能力。

2 鎂合金焊接接頭疲勞性能研究存在的不足與研究趨勢

2.1 存在的不足之處

鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究仍處于初級階段。主要存在以下幾個方面的問題。

1）鎂合金疲勞性能與其微觀組織結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系研究的不深入、不系統(tǒng)。目前，對傳統(tǒng)的體心立方金屬（鐵）和面心立方金屬（鋁）的疲勞性能研究已相當深入，但有關(guān)密排六方金屬鎂及其合金的疲勞性能方面的研究還相當缺乏。因此，應(yīng)針對鎂合金疲勞變形的微觀機制、疲勞變形誘發(fā)微觀結(jié)構(gòu)的演化以及與鎂合金疲勞行為之間的關(guān)系，位錯、孿晶在鎂合金疲勞變形及斷裂過程中的作用等方面開展系統(tǒng)的研究工作。

2）因為焊接接頭疲勞性能的測試相對比較麻煩，因而在未來的研究中要求提高疲勞試驗數(shù)據(jù)的精確度或準確性，疲勞數(shù)據(jù)系統(tǒng)化，建立鎂及其合金疲勞性能數(shù)據(jù)庫。

3）各種表面強化技術(shù)提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能與疲勞壽命的機理研究很少，特別是鎂合金焊接接頭超聲沖擊表面納米化機理、超聲沖擊對焊接接頭疲勞失效機理的影響的研究才剛剛起步。

2.2 研究趨勢

影響焊接接頭疲勞性能的因素很多，主要有焊接接頭的應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和接頭的組織、焊接缺陷等。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度在很大程度上取決于構(gòu)件的應(yīng)力集中情況，不合理的接頭形式和焊接過程中產(chǎn)生的各種缺陷是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因。超聲沖擊方法不僅可以有效地降低焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，降低接頭的殘余拉伸應(yīng)力，甚至在焊接接頭表面造成殘余壓應(yīng)力，還可以細化焊縫及其附近區(qū)域的顯微組織，甚至達到表面納米化組織，對提高焊接接頭的疲勞性能和疲勞壽命具有很大的作用。國內(nèi)有研究者采用超聲沖擊方法已在鋼材焊接接頭表面獲得了納米化組織，鎂合金的強度比鋼材要小得多，可以實現(xiàn)焊接接頭表面超聲沖擊納米化。因此，通過改變超聲激勵電流、沖擊振幅完全可以在鎂合金表面獲得納米晶組織，從而提高焊接接頭的疲勞性能。

國內(nèi)外雖有少數(shù)研究者就表面納米化對焊接接頭的疲勞性能進行了研究，但目前還沒有研究者就超聲沖擊納米化對鎂合金焊接接頭金屬塑性變形機制，對位錯、孿晶等的影響進行過研究；也沒有對超聲沖擊納米化后鎂合金焊接接頭的疲勞失效機理進行過研究。從上述國內(nèi)外研究情況來看，用超聲沖擊方法可以在金屬材料表面形成納米晶粒，獲得的納米晶組織能夠不同程度地提高材料的強度。但目前金屬材料表面自身納米化的研究還很不成熟，特別是鎂合金焊接接頭表面納米化機理及納米化對鎂合金焊接接頭疲勞性能及失效機理影響的研究才剛剛起步。找出超聲沖擊對鎂合金焊接接頭疲勞壽命影響的內(nèi)在規(guī)律，為確保鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用具有較大的現(xiàn)實意義。

3 結(jié)語

鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究仍處于初級階段。主要存在以下方面的問題：1疲勞性能與微觀組織關(guān)系的研究不夠深入；2鎂合金焊接接頭疲勞性能數(shù)據(jù)缺乏；3各種表面強化技術(shù)提高焊接接頭的疲勞性能與疲勞壽命的機理，特別是鎂合金焊接接頭超聲沖擊表面納米化機理、超聲沖擊對焊接接頭疲勞失效機理的影響的研究才剛剛起步。超聲沖擊方法不僅可以有效地降低焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，降低接頭的殘余拉伸應(yīng)力，甚至在焊接接頭表面造成殘余壓應(yīng)力，還可以細化焊縫及其附近區(qū)域的顯微組織，甚至達到表面納米化組織，該方法對提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能和疲勞壽命具有很大的作用。

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Researching Status and Developing Trend of the Effect of Ultrasonic Impact on Fatigue Properties of Magnesium Weld Joints

He Bolin
（School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Researching status and developing trend of the fatigue properties of magnesium weld joints are reviewed，and the main problems and recent developing focus and goals are outlined.The developing trend of increasing the fatigue properties and fatigue life is analyzed.The ultrasonic impact method can not only decrease the stress concentration coefficient and tension residual stress，but also refine the grain size of weld joints，even compressive stress and nanograins.The method is helpful to increase fatigue properties and life of magnesium weld joints.

magnesium alloy；weld joints；fatigue properties；ultrasonic impact

TB114.3；TB115

A

1005-0523（2011）03-0073-05

2011-04-10

國家自然科學基金（51065010）；江西省自然科學基金（2009GZC0016）

何柏林（1962－），男，教授，研究方向為材料強度與斷裂。