王磊，李東俠，回麗，沈振鑫，周松,

(1.蘇州科技大學(xué),蘇州,215009；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng),110136；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué),航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng),110136)

0 序言

2024-T4 鋁合金是一種高強(qiáng)度硬鋁合金被廣泛用于航空、航天等領(lǐng)域[1-2].傳統(tǒng)焊接方法焊縫區(qū)域容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷，而攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)可以很大程度避免這些缺陷的產(chǎn)生，對(duì)于鋁合金具有很好的適用性[3-5].而雙軸肩攪拌摩擦焊是近些年的熱門焊接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)焊接工件接頭受熱、受力均勻，熱變形小等[6-7].

FSW 焊接過程中，焊接區(qū)域不可避免的會(huì)受到摩擦熱、機(jī)械攪拌作用以及軸肩擠壓的作用，導(dǎo)致FSW 焊接接頭形成異常復(fù)雜的非均勻組織分布，從而使焊縫與母材之間產(chǎn)生失配效應(yīng).因此，眾多學(xué)者對(duì)FSW 接頭的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究.Tra 等人[8]研究了AA6063-T5 鋁合金FSW 接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)非均勻的微觀結(jié)構(gòu)造成不同的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，擴(kuò)展位置、測(cè)試溫度對(duì)裂紋擴(kuò)展行為影響顯著.Lezcano 等人[9]分析了力學(xué)失配對(duì)焊接接頭韌性的影響，從而得到了焊接接頭的韌脆過渡曲線.Rao 等人[10]對(duì)鎂鋁異種合金FSW 焊接接頭的裂紋擴(kuò)展和損傷機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到鎂板或鋁板發(fā)生斷裂時(shí)，裂紋的萌生由微動(dòng)碎屑引起；當(dāng)裂紋在焊縫處發(fā)生斷裂，其斷口表明疲勞裂紋起源于焊縫缺陷.Sarikka 等人[11]研究了SA508 合金與其它金屬焊縫失配的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)裂紋在焊縫區(qū)域和焊縫附近的擴(kuò)展受到強(qiáng)度失配的很大影響.Dai 等人[12]研究了AA6N01 鋁合金FSW 接頭不同位置的疲勞裂紋擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展速率最高的區(qū)域在焊核區(qū).王磊等人[13]分析了失配接頭的裂紋擴(kuò)展路徑，發(fā)現(xiàn)2A12-O 高配接頭拉伸試驗(yàn)斷裂于母材，2A12-T4 低配接頭斷裂于近熱影響區(qū).綜上，大多數(shù)學(xué)者還是把整個(gè)焊接區(qū)域考慮為一個(gè)整體進(jìn)行研究，這使得無法深入了解攪拌摩擦焊接接頭的疲勞失效機(jī)理，也難以準(zhǔn)確評(píng)估攪拌摩擦焊接結(jié)構(gòu)的壽命.為了對(duì)攪拌摩擦焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的壽命評(píng)估，有必要對(duì)非均質(zhì)焊接接頭的多區(qū)域疲勞失效行為進(jìn)行深入分析和研究，對(duì)于深入理解攪拌摩擦焊接接頭的疲勞斷裂行為機(jī)制和疲勞壽命評(píng)估具有重要意義，對(duì)航空裝備的安全可靠性評(píng)估具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

通過對(duì)2024-T4 鋁合金FSW 焊接接頭預(yù)制裂紋于焊核區(qū)、熱影響區(qū)以及垂直于焊縫方向，分析疲勞裂紋的擴(kuò)展行為，同時(shí)通過ABAQUS 和FRANC 3D 聯(lián)合仿真對(duì)多個(gè)區(qū)域緊湊拉伸試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展行為模擬分析及壽命預(yù)測(cè)，并深入討論了各個(gè)區(qū)域裂紋擴(kuò)展行為差異性的原因，為其它材料焊接結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展行為的研究提供一種分析手段.

1 試驗(yàn)方法與有限元仿真

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為4 mm 厚的2024-T4 航空用軋制鋁合金板，其化學(xué)成分如表1 所示.攪拌摩擦焊設(shè)備為FSW-3LM-003 小型雙軸肩FSW 系統(tǒng).攪拌頭軸肩直徑為14 mm，采用直徑為5 mm 的螺紋式攪拌針.

表1 2024-T4 合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 2024-T4 alloy chemical composition

根據(jù)ASTM-E467-15 標(biāo)準(zhǔn)《疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，該疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)采用緊湊拉伸(compact tension,CT)試樣，選取CT 試樣尺寸為88 mm × 84 mm × 4 mm，在焊核區(qū)(nugget zone，NZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)和垂直焊縫方向(perpendicular to the weld,PW)預(yù)制裂紋分別以NZ 試樣、HAZ 試樣和PW 試樣表示，試樣的具體尺寸如圖1 所示.

圖1 不同部位的裂紋擴(kuò)展試樣(mm)Fig.1 Crack propagation samples in different regions.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

采用MTS810 型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為室溫空氣.施加的載荷采用正弦波控制，加載頻率為8 Hz，應(yīng)力比R=0.1.在進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)之前，所有試樣均采用400～3 000 號(hào)砂紙打磨表面.試驗(yàn)過程中通過JXD-B 型長(zhǎng)焦距光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)讀取裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度.

1.3 有限元仿真

基于ABAQUS 與FRANC 3D 聯(lián)合仿真的方法對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行分析.由于接頭材料的力學(xué)性能不均勻，接頭各區(qū)域材料的屈服強(qiáng)度各不相同，因此對(duì)有限元模型進(jìn)行分區(qū)處理.前期測(cè)試獲得2024-T4 鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域的彈性模量、泊松比和材料屈服強(qiáng)度的具體情況如表2 所示.

表2 ABAQUS 輸入焊接接頭不同分區(qū)材料參數(shù)Table 2 ABAQUS input material parameters for different regions of welded joints

圖2 為CT 模型在ABAQUS 中進(jìn)行各個(gè)區(qū)域的劃分并賦予不同分區(qū)相應(yīng)材料屬性.定義相關(guān)載荷和邊界條件，上、下加載孔中心分別與上、下加載圓柱面定義耦合約束關(guān)系，上加載孔加載y方向的循環(huán)載荷，下加載孔完全固定.

圖2 模型分區(qū)的CT 試樣Fig.2 CT sample diagram of model partition.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

將在ABAQUS 中建立的CT 試樣有限元模型導(dǎo)入到FRANC 3D 中，在預(yù)制裂紋尖端插入2 mm的初始裂紋，選取裂紋尖端單元幾何半徑為0.2 mm，輸入預(yù)制初始裂紋參數(shù)后，F(xiàn)RANC 3D 自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分.

在線彈性斷裂力學(xué)中，經(jīng)典Paris 公式在工程應(yīng)用中最為廣泛.2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋擴(kuò)展中，不同部位試樣的裂紋擴(kuò)展基本參數(shù)C，m和門檻值ΔKth具體如表3 所示.

表3 疲勞裂紋擴(kuò)展Paris 基本參數(shù)Table 3 Fatigue crack propagation Paris basic parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子

裂紋按照力學(xué)特性分為 I 型(張開型)裂紋、Ⅱ型(滑開型)裂紋和 Ⅲ 型(撕開型)裂紋，試驗(yàn)使用的CT 試樣裂紋屬于 I 型裂紋，因此只需要考慮 I型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI.

在FRANC 3D 中，插入的初始裂紋為2 mm 的橢圓形裂紋.FRANC 3D 計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子一般采用M-積分，即

式中：Γ為裂紋尖端積分路徑；W為應(yīng)變能密度因子；q為中間變量；σij為 應(yīng)力張量；uij為位移矢量；δij為應(yīng)變張量；1，2 表示x，y方向.

I 型裂紋裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為

式中：μ為泊松比；E為彈性模量.

為了驗(yàn)證仿真模擬的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E399-74《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》可知，緊湊拉伸試件裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI為

式中：定義 α=16+a，a為裂紋長(zhǎng)度；P為試驗(yàn)施加載荷，P=1 kN；W為有效試樣寬度，W=70 mm；B為試樣厚度，B=4 mm.

將FRANC 3D 計(jì)算得到的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋長(zhǎng)度關(guān)系，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示.理論計(jì)算與FRANC 3D 仿真結(jié)果的相對(duì)誤差在合理的范圍內(nèi)，產(chǎn)生誤差的原因主要為通過聯(lián)合仿真的方法不能完全還原焊接接頭的內(nèi)部缺陷以及組織的非均質(zhì)分布；其次，F(xiàn)RANC 3D在每一步擴(kuò)展重新劃分網(wǎng)格時(shí)，裂紋尖端網(wǎng)格的精度不夠，使得裂紋尖端的單元出現(xiàn)較大變形；而且理論計(jì)算與仿真模擬使用的計(jì)算公式不同，這也導(dǎo)致兩者的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差.但是由于理論與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差較小，因此，可以利用FRANC 3D分析FSW 接頭裂紋擴(kuò)展過程.

圖3 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子Fig.3 Crack tip stress intensity factor for multi-region crack propagation in 2024-T4 aluminum alloy FSW.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展路徑

圖4 為2024-T4 鋁合金FSW 焊接接頭預(yù)制裂紋于NZ，HAZ 和PW 3 種試樣的裂紋擴(kuò)展路徑.NZ 和HAZ 試樣裂紋在萌生、擴(kuò)展及瞬斷的過程均在焊縫區(qū)內(nèi)，主要原因?yàn)?024-T4 鋁合金FSW 母材區(qū)的強(qiáng)度高于焊縫區(qū)，對(duì)裂紋的擴(kuò)展有較強(qiáng)的阻礙作用.而PW 試樣裂紋垂直于焊縫基本也沿直線擴(kuò)展，僅在穿過焊縫時(shí)出現(xiàn)微小的偏轉(zhuǎn).

圖4 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋擴(kuò)展路徑Fig.4 Multi-region crack propagation path of 2024-T4 aluminum alloy FSW.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

FRANC 3D 仿真得到的HAZ，NZ 和PW 3 種試樣的裂紋擴(kuò)展路徑如圖5 所示.3 種試樣的裂紋擴(kuò)展路徑均為直線擴(kuò)展，與試驗(yàn)結(jié)果相比，仿真路徑?jīng)]有出現(xiàn)小角度偏轉(zhuǎn)，因?yàn)榉抡婺Ｐ蜔o法真實(shí)模擬試件內(nèi)部的組織非均勻分布.利用FRANC 3D模擬裂紋擴(kuò)展路徑與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

圖5 FRANC 3D 仿真2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋擴(kuò)展路徑Fig.5 FRANC 3D simulation of 2024-T4 aluminum alloy FSW multi-region crack propagation path.(a) NZ sample;(b)HAZ sample;(c) PW sample

2.3 裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)

FRANC 3D 中，在獲得裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子后，利用Paris 公式進(jìn)行壽命預(yù)測(cè).

式中：ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度值；C，m為Paris 公式基本參數(shù)；a為裂紋長(zhǎng)度；a0為初始裂紋長(zhǎng)度；ap為裂紋最終長(zhǎng)度；N為裂紋擴(kuò)展壽命.

圖6 為試驗(yàn)與仿真結(jié)果繪制的a-N曲線圖.從圖6a 和圖6b 可知，隨著加載周期的增加，NZ 試樣和HAZ 試樣裂紋長(zhǎng)度差距增大，HAZ 試樣的裂紋擴(kuò)展速率加快，當(dāng)疲勞周期達(dá)到試樣裂紋擴(kuò)展壽命約4/5 時(shí)，NZ 試樣的疲勞周期為試樣裂紋擴(kuò)展壽命的3/5.隨著循環(huán)周次的增加，當(dāng)HAZ 試樣發(fā)生斷裂時(shí)，NZ 試樣進(jìn)入中高速擴(kuò)展階段.這主要是因?yàn)镠AZ 的性能存在較大的梯度變化，從而導(dǎo)致裂紋易向HAZ 較弱的區(qū)域擴(kuò)展，而NZ 由于細(xì)晶強(qiáng)化的作用，形成性能相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到阻礙效應(yīng)[14-15].由圖6c 可知，PW 試樣裂紋首先在母材區(qū)擴(kuò)展相對(duì)緩慢.當(dāng)裂紋進(jìn)入焊縫擴(kuò)展時(shí)，由于裂紋擴(kuò)展方向與板材的軋制方向平行，裂紋在未穿過焊縫中心時(shí)，裂紋擴(kuò)展相對(duì)緩慢，此時(shí)焊縫對(duì)裂紋有一定的阻礙作用.當(dāng)裂紋擴(kuò)展至NZ 中心時(shí)，裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)明顯加速，圖6c 中通過聯(lián)合仿真所得曲線在裂紋長(zhǎng)度為10.5 mm 左右時(shí)裂紋出現(xiàn)快速擴(kuò)展，此時(shí)裂紋處于NZ 中心位置，強(qiáng)度最弱.裂紋穿過焊縫后裂紋擴(kuò)展速率加快，這主要是由于焊縫各區(qū)域的強(qiáng)度弱于母材，裂紋在穿過焊縫較弱的區(qū)域，易于向前擴(kuò)展.因此2024-T4 鋁合金FSW 接頭預(yù)制裂紋于3 個(gè)不同部位試樣的疲勞壽命由高到低的順序?yàn)椋篘Z 試樣、PW 試樣、HAZ 試樣.由圖6 可以看出，NZ，HAZ 和PW 3 種試樣疲勞裂紋擴(kuò)展仿真壽命與試驗(yàn)壽命基本相近.

圖6 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋擴(kuò)展壽命Fig.6 Multi-region crack propagation life of 2024-T4 aluminum alloy FSW.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

將圖6 中3 種試樣在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的低速、中速、高速3 個(gè)階段分別選取3 個(gè)裂紋長(zhǎng)度，將其試驗(yàn)壽命與仿真壽命進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4 所示.在裂紋擴(kuò)展的3 個(gè)階段，3 種試樣的試驗(yàn)壽命與FRANC 3D 仿真預(yù)測(cè)壽命相對(duì)誤差在5%左右，說明了基于ABAQUS 與FRANC 3D 的聯(lián)合仿真在疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方面是可行的.

表4 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋擴(kuò)展壽命對(duì)比Table 4 Comparison of multi-region crack propagation life of 2024-T4 aluminum alloy FSW

2.4 分析與討論

在相同應(yīng)力水平下，選取3 種試樣在裂紋低速擴(kuò)展期、裂紋中速擴(kuò)展期和裂紋高速擴(kuò)展期的微觀斷口進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7～ 圖9 所示.微觀斷口形貌主要表現(xiàn)為疲勞輝紋以及二次裂紋.在循環(huán)載荷加載下，裂紋尖端不斷張開鈍化、擴(kuò)展銳化，從而在斷口處留下痕跡，即為疲勞輝紋，并且疲勞輝紋的方向與裂紋擴(kuò)展的方向垂直.在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，由圖7a、圖8a 和圖9a 可知，NZ 試樣在中、低、高速3 個(gè)擴(kuò)展區(qū)均未觀察到明顯的疲勞輝紋，主要原因是NZ 晶粒細(xì)小，并且裂紋一直在NZ 擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展主要以沿晶擴(kuò)展為主.晶粒尺寸小，導(dǎo)致晶界的密度加大，從而阻礙了裂紋的萌生以及擴(kuò)展[16].由圖7b、圖7c、圖8b、圖8c、圖9b 和圖9c 可以觀察到，HAZ 和PW 試樣均有明顯疲勞輝紋存在.在低速擴(kuò)展期，HAZ 試樣斷口處的疲勞輝紋更加密集，并且存在大量的微裂紋.在交變載荷作用下，這些微裂紋由于應(yīng)力集中易形成大裂紋，從而有效提高裂紋擴(kuò)展速率.而PW 試樣的疲勞輝紋間距較大，并且母材區(qū)的晶粒較大，降低了裂紋的擴(kuò)展速率，因此HAZ 試樣在低速擴(kuò)展期的裂紋擴(kuò)展速率較PW 試樣高；在中速擴(kuò)展期，HAZ 試樣斷口處的疲勞輝紋間距不斷加大，明顯大于PW 試樣的疲勞輝紋間距，因此在中速擴(kuò)展期HAZ 試樣的裂紋擴(kuò)展速率更高；高速擴(kuò)展階段，HAZ 試樣和PW試樣斷口的疲勞輝紋間距進(jìn)一步增加，其中HAZ試樣的疲勞輝紋間距更大，具有更高的疲勞裂紋擴(kuò)展速率.HAZ 和PW 試樣由于擴(kuò)展區(qū)晶粒較大，裂紋擴(kuò)展主要為穿晶擴(kuò)展.此外，裂紋在擴(kuò)展時(shí)3 個(gè)區(qū)域均觀察到了二次裂紋，二次裂紋的擴(kuò)展方向與裂紋擴(kuò)展方向垂直，會(huì)消耗裂紋擴(kuò)展過程中的一部分能量，對(duì)于裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用.通過疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)制裂紋于HAZ 試樣的疲勞壽命最低，PW 試樣次之，NZ 試樣疲勞壽命最高.

圖7 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋低速擴(kuò)展斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of 2024-T4 aluminum alloy FSW multi-regional crack propagation at low speed.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

圖8 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋中速擴(kuò)展斷口形貌Fig.8 Fracture morphologies of 2024-T4 aluminum alloy FSW multi-region crack propagation at medium speed.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

圖9 2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域裂紋高速擴(kuò)展斷口形貌Fig.9 Fracture morphologies of 2024-T4 aluminum alloy FSW multi-region crack propagation at high speed.(a) NZ sample;(b) HAZ sample;(c) PW sample

3 結(jié)論

(1)通過ABAQUS 和FRANC 3D 聯(lián)合仿真2024-T4 鋁合金FSW 多區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展行為，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋擴(kuò)展路徑相對(duì)誤差均在合理范圍內(nèi)，證明了分區(qū)域進(jìn)行ABAQUS 和FRANC 3D 聯(lián)合仿真的可行性.

(2)通過ABAQUS 和FRANC 3D 聯(lián)合仿真多區(qū)域裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差均在5%左右，證明對(duì)焊接接頭分區(qū)域進(jìn)行聯(lián)合仿真在壽命預(yù)測(cè)方面是準(zhǔn)確可行的.

(3)NZ 試樣裂紋擴(kuò)展斷口無疲勞輝紋，HAZ 和PW 試樣均觀察到疲勞輝紋，但低速擴(kuò)展時(shí)PW 試樣疲勞輝紋間距大于HAZ 試樣，中、高速擴(kuò)展時(shí)HAZ試樣疲勞輝紋間距大于PW 試樣，因此疲勞壽命由高到低的順序?yàn)椋篘Z 試樣、PW 試樣、HAZ 試樣.