何柏林,江明明,于影霞,李 力
(華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,南昌 330013)
鎂合金作為輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料的首選,具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低密度以及優(yōu)良的切削加工性、阻尼性和電磁屏蔽性能,在航空航天、電子器件、軌道交通裝備及汽車制造中具有極其廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。但鎂合金焊接接頭疲勞性能的研究還處于起步階段,這也成為制約鎂合金焊接結(jié)構(gòu)件廣泛使用的主要原因之一[5]。已有研究表明[6]:鎂合金焊接接頭疲勞性能是影響承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要因素之一。目前國內(nèi)外雖有研究者從TIG焊重熔、激光熔凝處理[7]、超聲噴丸[8]、焊接過程中進(jìn)行電磁攪拌[9]等方面對提高鎂合金焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行了一定的研究,但存在以下問題:TIG焊重熔只能去掉應(yīng)力集中,并不能改善焊接接頭的殘余應(yīng)力分布,且施工工藝復(fù)雜,如需對構(gòu)件預(yù)熱、清洗且需要保護(hù)氣體,工藝不當(dāng)反而會造成副作用;激光熔凝處理鎂合金焊接接頭,雖可使熔凝區(qū)金屬晶粒得到高度細(xì)化,但對工藝要求極為嚴(yán)格,且焊接接頭熔凝層表面易出現(xiàn)凹凸不平的小坑,產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,加速了焊接接頭的疲勞破壞;焊接過程中引入磁場,通過電磁攪拌使晶粒得到細(xì)化,使熔池中的雜質(zhì)得到球化和凈化,能夠改善鎂合金焊接接頭疲勞性能,但焊接過程中線圈的行走速率與送絲速率必須高度協(xié)調(diào);噴丸法噪聲大、設(shè)備龐大、投資多、不能方便地移動作業(yè),且由于丸粒反彈,存在安全防護(hù)以及丸粒需要回收清理的問題;超聲沖擊處理是一種旨在改善焊接接頭疲勞性能的新技術(shù),通過在焊趾或焊縫表面引入殘余壓應(yīng)力,改善焊接接頭幾何形狀以減少應(yīng)力集中程度,從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度[10],而且由于劇烈的塑性變形,還會使焊縫表層微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,細(xì)化焊縫及其附近組織,對焊接接頭的性能產(chǎn)生有益的影響。超聲沖擊強(qiáng)化適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、鎂合金等[11-15]。由于鎂合金的熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱快,焊接加熱時需要大功率,因此,影響鎂合金焊接接頭疲勞性能的主要原因與一般鋼鐵材料有很大的不同,除存在殘余拉應(yīng)力以及焊縫幾何形狀所帶來的應(yīng)力集中外,熱影響區(qū)組織粗大也是引起接頭性能下降的主要原因[16]。MB8是在Mg-Mn二元鎂合金MB1的基礎(chǔ)上添加Ce形成的一種稀土變形鎂合金,其耐腐蝕性能優(yōu)越、熱裂紋傾向小、強(qiáng)度較高,但其塑性有所降低,在航空航天領(lǐng)域已得到應(yīng)用[17]。
本工作采用超聲沖擊方法對MB8鎂合金焊接接頭進(jìn)行超聲沖擊處理,利用萬能金相顯微鏡與透射電子顯微鏡對超聲沖擊處理前后的接頭試樣進(jìn)行組織實(shí)驗(yàn),研究超聲沖擊對接頭表面微觀組織的影響。通過對比測試焊態(tài)及沖擊處理態(tài)接頭的S-N曲線,分析疲勞斷口形貌,研究超聲沖擊引起的接頭疲勞性能變化及其規(guī)律。
母材為8mm厚的MB8變形鎂合金板材,為避免出現(xiàn)Mg9Ce組成的低熔點(diǎn)共晶體,采用直徑為3mm的MB3鎂合金焊絲,母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用的接頭形式為十字接頭,疲勞試樣的尺寸形狀如圖1所示。
表1 MB8和MB3鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of MB8 and MB3 magnesium alloys(mass fraction/%)
圖1 MB8十字接頭的形狀與尺寸 (a)俯視圖;(b)主視圖Fig.1 Shape and dimension of MB8 cross joints (a)top view;(b)front view
先將母材機(jī)加工成500mm×200mm×8mm的主板和500mm×30mm×8mm的腹板,用100#的砂紙打磨母材待焊區(qū)域和焊絲,充分去除其表面的氧化膜,再用丙酮擦洗板材及焊絲表面,靜置風(fēng)干。然后,利用NSA-400型鎢極氬弧焊機(jī)將一塊主板和兩塊腹板焊接,焊接工藝參數(shù)如表2所示。
表2 MB8鎂合金的焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of MB8 magnesium alloys
采用HJ-Ⅲ型額定功率為600W的超聲沖擊設(shè)備,對接頭焊趾部位實(shí)施往復(fù)沖擊。沖擊頭頭部形狀為半圓球,半圓直徑為3.0mm,沖擊電流為2.0A,沖擊速率約為15mm/s,往復(fù)沖擊時間為10min。具體的沖擊過程為:超聲沖擊針頭垂直對準(zhǔn)接頭焊趾部位,使沖擊過程在執(zhí)行機(jī)構(gòu)自重的作用下沿焊縫方向進(jìn)行。同時,沖擊槍做適當(dāng)角度的擺動,以使焊趾區(qū)外形為光滑圓弧過渡。
實(shí)驗(yàn)在PLG-200C疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,載荷類型為拉-拉疲勞載荷,循環(huán)應(yīng)力比R(σmin/σmax)=0.1,加載波形為正弦波,實(shí)驗(yàn)頻率f=110~115Hz,最大載荷為230MPa。室溫空氣環(huán)境中測定不同載荷條件下的疲勞壽命N。
利用Axio Vert.A1型萬能金相顯微鏡對焊縫區(qū)域沖擊前后的試樣進(jìn)行金相組織的觀察。采用JEM-2100透射電子顯微鏡對超聲沖擊處理后的接頭試樣進(jìn)行組織實(shí)驗(yàn):采用線切割,在沖擊后樣品的表面切下尺寸為10mm×10mm×0.5mm大小的金屬薄片,將薄片粘在鐵塊上,使線切割面朝下,然后依次用200,600,1000,2000號金相砂紙將樣品磨薄至30~40μm,再沖出φ3mm大小的圓片,最后對φ3mm的小薄片進(jìn)行離子減薄。
圖2為MB8鎂合金十字接頭的金相組織??梢钥闯?,焊縫為典型的柱狀晶組織,熱影響區(qū)為不規(guī)則的等軸晶組織,而且熱影響區(qū)組織較母材組織明顯增大,二者之間存在明顯界限,在界限附近析出許多共晶物。這些共晶物由于熔點(diǎn)較低,再結(jié)晶過程中容易軟化,在焊接殘余拉應(yīng)力的作用下極易萌生疲勞微裂紋,從而使焊接接頭的疲勞性能下降。
圖2 MB8鎂合金十字接頭的金相組織 (a)焊縫及熱影響區(qū);(b)熱影響區(qū)及母材Fig.2 Microstructures of MB8 magnesium alloy cross joints (a)soldering seam and heat-affected zone;(b)heat-affected zone and base metal
圖3為超聲沖擊處理接頭焊趾區(qū)域表面組織的高分辨透射電鏡明場像以及對應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣圖。可知,超聲沖擊處理MB8鎂合金焊接接頭表面可以獲得尺寸小于100nm的納米晶組織;同時,選區(qū)的電子衍射花樣表現(xiàn)為連續(xù)的同心圓環(huán),晶粒隨機(jī)取向,這是典型的納米晶衍射花樣特征。圖4為接頭焊趾表面變形層內(nèi)的位錯纏結(jié)、位錯墻以及亞晶的TEM像。在接頭受到超聲沖擊初期,表層組織發(fā)生劇烈的塑性變形,原始粗晶內(nèi)形成大量的位錯;隨后,持續(xù)的沖擊使得位錯間的相互作用增強(qiáng),形成位錯纏結(jié)和位錯墻;然后大量位錯湮滅和重排,位錯的間距進(jìn)一步減小,位錯纏結(jié)和位錯墻轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗嵌葋喚Ы?,形成晶粒?xì)小的亞晶結(jié)構(gòu)。最后,在動態(tài)再結(jié)晶的作用下,亞晶逐步演變成大小均勻、晶界清晰、取向隨機(jī)的納米晶組織。
圖3 沖擊處理表面組織的TEM明場像(a)和對應(yīng)選區(qū)電子衍射花樣圖(b)Fig.3 TEM bright field image(a) of surface microstructure with UIT and selected area electron diffraction pattern(b)
圖4 沖擊處理后表層組織內(nèi)部位錯纏結(jié)、位錯墻和亞晶的TEM圖Fig.4 TEM image of dislocation tangle,wall and subgrain in surface microstructure with UIT
疲勞試樣分為未沖擊試樣(焊態(tài))和沖擊試樣(超聲沖擊態(tài))兩組。疲勞實(shí)驗(yàn)采用正弦波形式的拉-拉疲勞載荷,循環(huán)應(yīng)力比R(σmin/σmax)=0.1,實(shí)驗(yàn)頻率f=110~115Hz,疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別擬合出兩種狀態(tài)下存活率為50%的平均S-N曲線,如圖5所示。
表3 兩組試樣的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Fatigue experimental data of two groups of samples
圖5 焊態(tài)及超聲沖擊態(tài)試樣的S-N曲線Fig.5 S-N curves of as-welded joints and UIT welded joints
S-N曲線以應(yīng)力范圍Δσ和循環(huán)次數(shù)N以10為底的雙對數(shù)坐標(biāo)表示。MB8鎂合金十字接頭原始焊態(tài)試樣的S-N曲線方程為:
lgN=15.36-6.015lgΔσ
(1)
MB8十字接頭超聲沖擊后的S-N曲線方程為:
lgN=23.17-10.4lgΔσ
(2)
根據(jù)擬合后的S-N曲線,得出在實(shí)驗(yàn)基數(shù)為2×106周次下,焊態(tài)、沖擊態(tài)的條件疲勞強(qiáng)度,如表4所示。其中m為擬合曲線的斜率,lgCm為lgC的均值,Δσ為應(yīng)力范圍,lgCk為擬合曲線的特征值,SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差。
表4 MB8鎂合金十字接頭S-N曲線對應(yīng)的參數(shù)Table 4 S-N parameters of MB8 magnesium alloy cross joints
由表4可知,在循環(huán)壽命為2×106條件下,焊態(tài)試樣的條件疲勞強(qiáng)度為32.07MPa,超聲沖擊后試樣的條件疲勞強(qiáng)度為41.88MPa,提高了30.59%。結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn),超聲沖擊可以明顯提高M(jìn)B8十字接頭的疲勞強(qiáng)度。這是由于超聲沖擊后產(chǎn)生了塑性變形,在試樣表面形成了擠壓層,從而使表層的應(yīng)力分布呈壓應(yīng)力狀態(tài),而壓應(yīng)力可以抵消部分或全部拉應(yīng)力[18],使外加應(yīng)力施加在試樣上的表面總應(yīng)力降低,裂紋較焊接態(tài)試樣不易張開擴(kuò)展,所以超聲沖擊可以降低裂紋的擴(kuò)展速率。而且劇烈的塑性變形,使焊縫表層材料產(chǎn)生微觀組織結(jié)構(gòu)變化,細(xì)化焊縫附近組織,晶粒尺寸可對鎂合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生較大影響[19-20],細(xì)化晶粒等同于減小了平均滑移距離,晶界上位錯塞積所引起的應(yīng)力集中相應(yīng)減小。
根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)疲勞壽命的變化結(jié)果,如圖6所示??梢钥闯?,超聲沖擊處理接頭疲勞壽命與所外加的應(yīng)力有關(guān),應(yīng)力越小,沖擊效果越明顯,即對疲勞壽命的影響越大;而隨著應(yīng)力的增加,影響效果降低。因此,在對需要經(jīng)過超聲沖擊處理的MB8鎂合金十字接頭進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時,應(yīng)重點(diǎn)考慮外載荷的大小,而可以忽略接頭中焊接殘余應(yīng)力的影響。
圖6 接頭疲勞壽命與應(yīng)力的關(guān)系Fig.6 Relationship between fatigue life and stress
兩組試樣疲勞斷裂大多發(fā)生在熱影響區(qū),部分發(fā)生在焊縫區(qū)域。從斷口表面來看,發(fā)生在焊縫區(qū)的試樣都含有部分焊接缺陷,在熱影響區(qū)發(fā)生斷裂(圖7)的試樣基本不存在明顯的焊接缺陷,表明熱影響區(qū)是MB8鎂合金焊接接頭疲勞斷裂的薄弱區(qū)域,這與熱影響區(qū)晶粒粗大有很大的關(guān)系。而超聲沖擊過程中,主要是對焊趾部位進(jìn)行沖擊,以降低接頭幾何形狀引起的應(yīng)力集中為主,對熱影響區(qū)的組織影響很小,因此對斷裂位置的影響也相對較小。
圖7 沖擊態(tài)(a)和焊態(tài)(b)接頭斷裂位置 Fig.7 Fracture positions of the UIT welded joints(a) and the as-welded joints(b)
疲勞實(shí)驗(yàn)后,兩組試樣中各取一個,用線切割將完整的疲勞斷口切下,在超聲波振蕩器中進(jìn)行超聲洗滌,去除斷口的油污。利用Quanta200掃描電鏡(SEM) (加速電壓30kV)觀察疲勞斷口形貌,如圖8所示。MB8鎂合金接頭的疲勞斷口很少發(fā)現(xiàn)清晰、明顯的疲勞條帶,由圖8(a-1),(a-2)可以看出,斷口具有比較明顯的脆性斷裂特征,存在撕裂棱。同時,斷口中有夾雜存在,這在一定程度上成為裂紋萌生的原因。焊態(tài)和沖擊態(tài)試樣的疲勞裂紋源均起源于表面的焊接缺陷處。整個斷口以裂紋源為核心,裂紋呈放射狀向周圍擴(kuò)展。超聲沖擊后的放射花樣較細(xì)膩、平滑,并按一定方向分布,而原始焊態(tài)的放射花樣較粗糙,方向較雜亂。
圖8 焊態(tài)(1)和沖擊態(tài)(2)疲勞斷口的表面形貌 (a)疲勞裂紋源區(qū);(b)擴(kuò)展區(qū);(c)瞬斷區(qū) Fig.8 Fatigue fracture surface morphologies of as-welded joints(1) and UIT welded joints(2)(a)crack initiation region;(b)propagation region;(c)collapse fracture region
圖8(b-1),(b-2)為裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌。斷口中存在很多解理小臺階以及二次裂紋(圖9),從臺階的整體流動形貌可以判斷出裂紋的擴(kuò)展方向。在一個晶粒內(nèi)的不同部位首先形成解理裂紋核,逐步擴(kuò)展成若干解理面,解理裂紋沿不同高度的解理面進(jìn)行擴(kuò)展,并以二次解理方式相互連接起來,從而形成高度不同的小臺階。疲勞斷口中的這些解理花樣雜亂無序。同時,在疲勞斷口的很多地方可以觀察到大小不一的微裂紋,即二次裂紋,二次裂紋是由斷口向內(nèi)部擴(kuò)展的裂紋,顯示了密排六方結(jié)構(gòu)鎂合金塑性變形能力差,斷口有準(zhǔn)解理斷裂的特征。實(shí)際上,二次裂紋可以降低疲勞裂紋早期的擴(kuò)展速率,延長疲勞壽命。
圖8(c-1), (c-2)是瞬斷區(qū)形貌。兩者斷口與拉伸斷口有些相似,有較多的撕裂棱,棱下有大量的滑移線。超聲沖擊后,晶粒內(nèi)形成大量的線缺陷,從而使點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。裂紋在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形處的擴(kuò)展受到一定程度的阻礙,使得彼此相鄰的邊界處只有通過撕裂的方式才能連接,于是形成所謂的撕裂棱。同時,在瞬斷區(qū)可以觀察到韌窩這一韌性斷裂的特征。然而,不同的斷裂部位韌窩形態(tài)有一些差異,有等軸的韌窩,也有被拉長的韌窩,這應(yīng)該和斷裂區(qū)域的晶粒取向有關(guān)。原始焊態(tài)斷口中,韌窩較大,數(shù)量少,且大小不均;而超聲沖擊后的疲勞斷口韌窩較小,數(shù)量增多,形狀較均勻。這說明超聲沖擊后塑性有了一定程度的提高。
圖9 疲勞斷口中的解理臺階(a)和二次裂紋(b)Fig.9 Cleavage steps(a) and secondary cracks(b) in the fatigue fracture
(1)超聲沖擊處理后,MB8鎂合金十字接頭表面可以獲得尺寸小于100nm的納米晶組織。
(2)超聲沖擊可以明顯提高M(jìn)B8鎂合金十字接頭的疲勞強(qiáng)度。在循環(huán)壽命為2×106條件下,焊態(tài)試樣的條件疲勞強(qiáng)度為32.07MPa,沖擊處理態(tài)試樣的條件疲勞強(qiáng)度為41.88MPa,提高了30.59%。
(3)接頭的疲勞壽命與外加應(yīng)力有關(guān),應(yīng)力越小,沖擊效果越明顯,即對疲勞壽命的影響越大;而隨著應(yīng)力的增加,提升效果降低。
(4)超聲沖擊前后疲勞斷口都具有比較明顯的脆性斷裂特征,存在撕裂棱,說明超聲沖擊不能改變MB8鎂合金十字接頭的疲勞斷裂方式。但沖擊后的表層,由于殘余壓應(yīng)力以及晶粒細(xì)化的作用,裂紋擴(kuò)展速度有一定程度減緩。
(5)接頭試樣疲勞斷裂多發(fā)生在熱影響區(qū),部分發(fā)生在焊縫區(qū)域。發(fā)生在焊縫區(qū)的試樣都含有部分焊接缺陷,在熱影響區(qū)發(fā)生斷裂的試樣基本不存在明顯的焊接缺陷,表明熱影響區(qū)是MB8鎂合金十字接頭疲勞斷裂的薄弱區(qū)域。