氫對TC4鈦合金電子束焊接頭疲勞裂紋擴展速率的影響

劉鵬濤, 趙秀娟, 劉昕, 齊 健, 陳春煥, 王亞軍, 任瑞銘

(1.大連交通大學材料科學與工程學院,遼寧大連 116028;2.北京航空制造工程研究所,北京 100024)

電子束焊接是一種先進的高能束流加工技術,具有能量密度高、加熱范圍窄、焊接變形小、焊縫熔深比大、生產效率高等常規焊接方法無法比擬的優點,被廣泛應用于航空、航天、電子及汽車等領域[1]。鈦合金因其具有比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優點,成為航空航天行業不可或缺的結構材料。但鈦合金的應用存在一個問題：鈦合金極易吸氫,少量的氫可導致材料性能大幅度下降,特別是當鈦合金在氫氣氛或在一些腐蝕性的液體環境中使用時,容易因溶解的固溶氫或形成的氫化物造成氫脆[2]。由于鈦合金電子束焊接構件在設計的使用環境中有吸氫的可能性,因此,研究氫對鈦合金疲勞裂紋擴展速率(da/dN)的影響顯得十分必要。

目前,國內外學者關于氫影響鈦合金疲勞裂紋擴展行為方面的研究較多,已經有大量的研究成果[3～9],多數研究者認為氫對動載下鈦合金的 da/ dN有明顯的影響,并把疲勞裂紋擴展與氫化物聯系起來。但氫對鈦合金電子束焊接頭疲勞性能影響方面的研究較少。疲勞裂紋擴展速率是決定構件疲勞行為的重要特征參量[10],為此,本工作研究了含氫TC4鈦合金電子束焊接頭的疲勞裂紋擴展速率,總結了氫對da/dN的影響規律。

1 試驗方法

試驗材料為 20mm厚的 TC4鈦合金板材,在ZD150-15A型電子束焊機上進行焊接,焊接工藝參數：加速電壓150 kV,聚焦電流342mA,焊接速率0.8m/min,電子束流48 mA。焊接完成后,在試板厚度方向的中間部位截取緊湊拉伸(CT)試樣,沿垂直于焊接方向分別截取焊縫試樣和母材試樣,其中焊縫試樣的缺口開在焊縫中心。采用標準 CT試樣,其有效寬度W=50 mm,厚度B=10 mm,預制裂紋長度a0=8.0mm。采用高溫氣體法進行充氫試驗,其工藝為：750℃/2h,空冷至室溫。通過調節氫氣流速和充氫時間來獲得不同的氫含量。試樣充氫后采用高精度物理天平(精確到 10-5g)測量含氫量,3組試樣氫的質量分數(下同)分別為：0.028%, 0.054%,0.101%。

疲勞裂紋擴展試驗按照 GB/T 6398—2000進行,采用恒載荷幅法,波形為正弦波,載荷應力比為0.1。疲勞裂紋擴展速率 da/dN采用割線法計算。C(T)應力強度因子幅值ΔΚ按ASTM E647計算得出。

對不同氫含量的 TC4鈦合金母材和焊縫試樣分別進行測試,根據試驗記錄的數據,繪制da/dN-ΔK曲線。采用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察斷口形貌及接頭各區顯微組織,用 H-800型透射電鏡選區衍射技術分析相結構。

2 結果與分析

2.1 氫對裂紋擴展速率的影響

圖1為不同氫含量的 TC4鈦合金母材試樣的da/dN-ΔK曲線,由圖可見,母材試樣的疲勞裂紋擴展過程明顯分為三個區,即低速擴展區,穩態擴展區(也稱Paris區)和失穩擴展區。在低速擴展區,未充氫試樣的疲勞裂紋擴展速率最低,氫含量0.028%試樣的裂紋擴展速率略高于未充氫試樣,當氫含量增加到 0.054%以上時,裂紋擴展速率明顯提高。在穩態擴展區(Pairs區),氫對裂紋擴展速率的影響較小,不同氫含量試樣的裂紋擴展速率非常接近。在失穩擴展區,與未充氫試樣相比,充氫后裂紋擴展速率明顯提高,但不同氫含量之間裂紋擴展速率的差別不大。

圖1 不同氫含量的母材試樣的da/dN-ΔK曲線Fig.1 da/dN-ΔK curves of basemetal specimens with differenthydrogen contents

不同氫含量的焊縫試樣的da/dN-ΔK曲線如圖2所示。在低速擴展區,相同的應力強度因子幅值ΔK下,充氫試樣的裂紋擴展速率均高于未充氫試樣,但不同氫含量試樣之間的裂紋擴展速率差別不明顯。隨著 ΔK的降低,未充氫試樣的裂紋擴展速率迅速降低,而充氫試樣卻降低緩慢,因此,充氫試樣將有更低的裂紋擴展門檻值。在Paris區,充氫試樣的裂紋擴展速率明顯高于未充氫試樣,且隨著氫含量的增加,裂紋擴展速率提高,只是在氫含量由0.054%增加到 0.101%時,提高幅度變小,但仍顯示出氫的影響。在失穩擴展區,氫含量對裂紋擴展速率的影響明顯增大,氫含量越高,裂紋擴展速率越大。總之,在裂紋擴展的全過程,充氫焊縫試樣的疲勞裂紋擴展速率均明顯高于未充氫試樣。

圖2 不同氫含量的焊縫試樣的da/dN-ΔK曲線Fig.2 da/dN-ΔK curves ofweld bead specimens with different hydrogen contents

2.2 斷口分析

觀察結果發現,氫對母材試樣和焊縫試樣斷口形貌的影響規律基本相同,各區的變化特點也趨于一致。在裂紋擴展的第 1階段,即預裂區,不同氫含量試樣的斷口形貌特征基本相同,為解理斷裂,可看到河流花樣和解理臺階,同時也可看到二次裂紋。充氫試樣比未充氫試樣的二次裂紋多且尺寸大。在穩態擴展區,不同氫含量的試樣均有明顯的疲勞條帶,并伴有大量的二次裂紋。充氫試樣比未充氫試樣的疲勞條帶略寬,隨著氫含量的增加,二次裂紋的數量增多,裂紋寬度增大,甚至有大塊狀脫落出現,如圖 3。這表明氫使得材料脆性增大。在失穩擴展區,不同氫含量的試樣均為典型的韌性斷裂,主要為等軸韌窩,氫對這一區域斷口形貌的影響不大,只是充氫試樣的韌窩較淺,說明充氫后材料變脆,如圖 4所示。我們知道,影響裂紋擴展速率的因素很多,但材料韌性的降低將會促進裂紋的擴展。

圖3 不同氫含量焊縫試樣斷口穩態擴展區形貌(a)氫含量0.028%;(b)氫含量0.101%Fig.3 Fracturemorphologies in the stable crack grow th region of weld bead specimenswith differenthydrogen contents (a)0.028%H;(b)0.101%H

2.3 顯微組織分析

圖4 不同氫含量母材試樣失穩擴展區形貌(a)未充氫;(b)氫含量0.101%Fig.4 Fracturemorphologies in the rapid cracking region of basemetal specimens with different hydrogen contents (a)non-hydrogenated;(b)0.101%H

原始 TC4鈦合金母材組織為雙態組織,見圖5a,暗色為 α相,亮色為 β相。觀察充氫后母材的顯微組織發現,當氫含量從0.028%增大到 0.101%時,母材的顯微組織形貌變化不大,只是隨著氫含量的增加,兩相顏色趨近而不易區分,如圖 5b所示,這是因為氫的加入使得 α和 β兩相的電勢差接近,金相腐蝕后兩相差別變得不明顯[11]。原始 TC4鈦合金電子束接頭的焊縫組織是單一的由較粗大的原始β相轉變而成的 α′相,即密排六方馬氏體,見圖 6a。因為充氫試驗是一個高溫氣相充氫過程,加熱溫度達到 750℃,相當于對鈦合金進行了真空退火,焊縫的馬氏體會發生分解,分解方式為α′→β+α,圖 6b為氫含量0.101%的接頭焊縫組織,可以看出,充氫后焊縫的組織轉變成層片狀 α+β。對充氫試樣的焊縫區組織進行選區電子衍射分析,證實了焊縫的馬氏體發生了分解,α相與 β相交替析出,生成層片狀 α+β組織,如圖 7所示。隨著氫含量從 0.028%增加到0.101%,焊縫區組織形貌變化不大。

圖5 未充氫和充氫0.101%試樣母材顯微組織對比(a)未充氫;(b)氫含量0.101%Fig.5 Microstructures of basemetal specimens (a)non-hyd rogenated;(b)0.101%H

在進行TEM觀察時,接頭顯微組織中沒有觀察到氫化物析出,說明在氫含量較低時(≤0.1%),鈦合金中的氫大部分以固溶方式存在,氫對鈦合金疲勞性能的影響是一種氫致延遲斷裂的方式。根據文獻[12],在疲勞裂紋擴展時,鈦合金中固溶的氫在應力梯度作用下向應力較高地區(裂紋尖端)擴散和聚集,導致在裂紋尖端析出氫化物,這種脆性氫化物相的析出導致和促進裂紋擴展。但氫原子的擴散需要時間,當氫原子在裂紋尖端擴散聚集形成氫化物的速率跟不上裂紋擴展的速率時,氫對裂紋擴展速率的影響較小。結合本次試驗的結果得出,在穩態擴展區,不同氫含量母材試樣的da/dN曲線非常接近,說明循環加載對材料造成的損傷大于固溶氫的影響,氫對da/dN的影響很小。對于充氫焊縫試樣,在穩態擴展區,充氫試樣的裂紋擴展速率要高于未充氫試樣,因為充氫鈦合金的焊縫組織結構發生了變化,由針狀馬氏體分解為層片狀 α+β,充氫后試樣的裂紋擴展速率升高,說明顯微組織的轉變對穩態擴展區裂紋擴展速率影響顯著。另一方面,這也說明了針狀馬氏體組織比細小的層片狀 α+β組織具有更高的抵抗裂紋擴展的能力。

3 結論

(1)充氫母材試樣的da/dN-ΔK曲線分為3個區,在低速擴展區,當氫含量增加到 0.054%以上時,裂紋擴展速率明顯提高。在Paris區,氫對試樣裂紋擴展速率的影響較小。在失穩快速擴展區,氫的存在明顯提高了試樣的裂紋擴展速率,但不同氫含量之間裂紋擴展速率的差別不大。對于焊縫試樣,充氫試樣的疲勞裂紋擴展速率在裂紋擴展的全過程均明顯高于未充氫試樣。

(2)氫對TC4鈦合金母材和焊縫斷口形貌的影響規律基本相同,在裂紋預裂區和穩態擴展區,隨著氫含量的增加,二次裂紋數量增多,且裂紋寬度增大,表明材料脆性增大。在失穩快速擴展區,不同氫含量的試樣都為典型韌性斷裂,充氫試樣的韌窩較淺。

(3)在Paris區,組織結構的轉變對裂紋擴展速率有顯著影響,電子束焊接頭焊縫的針狀馬氏體組織比層片狀α+β組織具有更高的抵抗裂紋擴展的能力。

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