電子束焊接Ti-6Al-4V合金接頭的疲勞裂紋尖端微區(qū)形態(tài)

籍龍波, 胡樹兵, 李行志, 陳冀彥, 肖建中

(華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢430074)

電子束焊接Ti-6Al-4V合金接頭的疲勞裂紋尖端微區(qū)形態(tài)

籍龍波, 胡樹兵, 李行志, 陳冀彥, 肖建中

(華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢430074)

通過對Ti-6Al-4V合金板材預制一定深度的疲勞裂紋，研究母材與焊縫區(qū)疲勞裂紋尖端的TEM顯微形態(tài)。結(jié)果表明：經(jīng)歷疲勞循環(huán)后，位錯密度大大增加，α/β相界面位錯密度高，易成為位錯形核的源區(qū)；在周期性疲勞載荷的作用下，位錯以源區(qū)為原點呈放射狀向四周發(fā)散運動；在焊縫區(qū)馬氏體板條之間的細碎相之間，位錯聚集嚴重，說明細碎相也易成為位錯萌生的源區(qū)，從而成為疲勞裂紋形核的源區(qū)；在焊縫區(qū)馬氏體板條寬度越窄，位錯聚集密度越高，易成為疲勞裂紋萌生的位置。此外，TEM觀察證實了裂紋尖端存在一定尺寸的塑性變形區(qū)。通過焊接接頭分區(qū)的TEM對比分析，獲得焊縫區(qū)比母材區(qū)更易萌生疲勞裂紋的相關證據(jù)。

Ti-6Al-4V合金；電子束焊接；疲勞；裂紋尖端；顯微形態(tài)

鈦合金最重要的特點之一是具有較高的比強度，是當代先進飛機和航空發(fā)動機的主要結(jié)構材料之一，鈦合金的應用水平也成為衡量飛機先進程度的重要標志之一[1]。Ti-6Al-4V合金是一種典型的α+β型鈦合金，在鈦基中含穩(wěn)定元素鋁(6%)和釩(4%)，具有比強度高、耐腐蝕性好、綜合性能優(yōu)等特點，在航空航天結(jié)構材料中得到了廣泛的應用。在Ti-6Al-4V合金應用中，焊接是一種必不可少的手段，電子束焊接(electron beam welding，EBW)在Ti-6Al-4V合金連接中應用廣泛。而目前Ti-6Al-4V鈦合金電子束焊接的主要問題是由于在焊接過程中焊接區(qū)域?qū)l(fā)生相結(jié)構轉(zhuǎn)變，引起焊后接頭的宏觀力學性能發(fā)生變化[2]，對合金的疲勞擴展行為產(chǎn)生較大的影響。許多學者對鈦合金疲勞擴展行為進行了深入的研究[2?13]。HALL[2]的研究表明：疲勞過程為疲勞損傷的累積過程，疲勞損傷的積累導致形成滑移帶，最終滑移帶內(nèi)材料強度下降，使裂紋加速擴展。雙態(tài)組織中存在由先析β相轉(zhuǎn)變而來的同位向的α條帶(多晶粒構成宏觀區(qū)域)[3]。 這些區(qū)域往往可作為一個單元一起變形，且在單元內(nèi)變形嚴重處開始疲勞裂紋的萌生[4]。BANTOUNAS等[5]同樣發(fā)現(xiàn)了50～70 μm尺度的條帶區(qū)域。

相界對疲勞裂紋的擴展具有重要影響，它通過影響滑移方向從而影響裂紋擴展方向[6]。GERMAIN等[7]對αp/β相界面的研究表明，先析α相與周圍β相的位向關系在變形前后因αp/β界面的匹配變形而保持一致。BOCHER和KAMAT[8]研究發(fā)現(xiàn)，先析α/β相界面與次生板條α/β相界面空位的運動導致解理面的交聯(lián)而產(chǎn)生解理斷裂。同時，疲勞裂紋的尖端存在一定區(qū)域的塑性變形區(qū)，塑性區(qū)尺寸對疲勞裂紋擴展具有一定程度的影響。TAKAHASHI等[9]研究發(fā)現(xiàn)，滑移帶一般擴展至距裂紋面一定深度處，在小裂紋階段，當裂紋長度與尖端塑性區(qū)尺寸相近時，裂紋擴展速率變緩[10]。此外，裂紋尖端的組織協(xié)調(diào)快慢[11]及裂紋尖端的應力聚集程度也會影響裂紋擴展[12]。HARDT等[13]認為板條區(qū)的寬度控制雙態(tài)組織的應力聚集程度，從而影響裂紋的擴展。上述研究表明：相界面、顯微組織尺寸、裂紋尖端塑性區(qū)等因素對疲勞裂紋擴展具有重要影響。但對疲勞裂紋尖端顯微形態(tài)的研究并不深入。本文作者從顯微形態(tài)入手，著重對Ti-6Al-4V母材與電子束焊接接頭的裂紋尖端形態(tài)進行對比分析，探討顯微組織對疲勞裂紋擴展的影響，力求建立微觀結(jié)構與裂紋擴展特性之間關系，為深入研究顯微組織對電子束焊接Ti-6Al-4V合金疲勞行為的影響提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

鈦合金樣品采用Ti-6Al-4V熱軋板材，其化學成分如表1所列。采用電子束焊接，焊接試樣尺寸為200 mm×180 mm×20 mm，焊縫垂直于軋向，位于試樣中間，焊接工藝參數(shù)如表2所列。焊后熱處理溫度為650 ℃，保溫4 h。電子束焊接設備采用北京航空制造工程研究所研制的ZD150?15A型和ZD150?30A型高壓電子束焊機。

表1 Ti-6Al-4V鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy (mass fraction, %)

表2 Ti-6Al-4V合金焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of Ti-6Al-4V alloy

1.2 實驗方法

1.2.1 疲勞裂紋擴展

試樣制備方法如下：沿平行于焊縫的方向取疲勞試樣，加工成光滑的疲勞試樣。試樣寬度為16 mm，去除焊縫余高和上、下部各2 mm，以去除幾何應力集中和熔合線氣孔等疲勞裂紋萌生因素。疲勞試樣尺寸如圖1所示，取樣位置如圖2所示。

圖1 Ti-6Al-4V疲勞試樣形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of fatigue specimen of Ti-6Al-4V alloy(Unit: mm)

采用5%HF+12%HNO3+83%H2O溶液浸蝕焊接接頭的不同區(qū)域，以便分區(qū)預制裂紋。為了進行對比研究，分別在母材與焊縫中心預制裂紋，預制缺口深度為0.2 mm。動態(tài)疲勞試驗在SHIMADZU EA?10型電液伺服低周疲勞實驗機上進行。采用拉?拉加載方式、加載頻率f=5 Hz、應力比R= 0.1、正弦波形、最大疲勞應力σmax=392 MPa。每隔一定的加載循環(huán)次數(shù)后測定裂紋長度，當裂紋長度為a=0.5 mm時，停止疲勞加載。

圖2 取樣及預制裂紋位置示意圖Fig.2 Schematic illustration of sampling and precrack position

1.2.2 TEM試樣制備

疲勞循環(huán)后，母材試樣裂紋尖端TEM取樣如圖3(a)所示，焊縫區(qū)裂紋尖端TEM取樣如圖3(b)中位置2所示；焊縫區(qū)裂紋邊緣TEM取樣如圖3(b)中位置1所示，每組試驗樣品各取5個試樣。TEM分析在Tecnai G220型透射電鏡上進行。

圖3 母材與焊縫TEM取樣位置及標號Fig.3 Sampling location and labeling of foil for TEM test in base metal (a) and welded joint (b)

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織觀察

圖4(a)所示為焊接接頭的宏觀形貌。焊縫上部的柱晶尺寸較大，焊縫中部柱晶尺寸較為均勻。圖4(b)所示為焊接接頭中部區(qū)域的柱晶形態(tài)。可以看到，柱晶生長方向與焊縫中心成一定角度。圖4(c)所示為焊縫下部的形貌，焊縫下部隨焊縫寬度的減小，柱晶尺寸迅速減小。圖4(d)所示為Ti-6Al-4V母材的顯微組織。Ti-6Al-4V鈦合金為典型的α+β雙態(tài)組織，α相為亮相，而β相為暗相，β相分布于α相之間，且在一定區(qū)域α相呈條帶狀，分布位向相互平行。圖4(e)、(f)和(g)所示分別為焊縫上部、中部和下部顯微組織。可以看到，馬氏體層片在逐漸變細。

2.2 母材裂紋尖端顯微形態(tài)

圖5所示為母材裂紋尖端的TEM顯微形態(tài)。Ti-6Al-4V合金為雙態(tài)合金，亮色的α相之間為暗色的β相(見圖5(a)和(b))。圖5(c)所示為位錯在等軸相區(qū)分布狀況，α相位錯線分布較為有序，呈發(fā)射狀。尺寸較小的等軸α相中位錯密度明顯高于尺寸較大的相(見圖5(d))。圖5(e)中一些板條相內(nèi)位錯聚集，細部形態(tài)如圖5(f)所示。從圖5的分析來看，位錯在母材中尺寸較大的α相中密度較小。

對裂紋尖端變形較嚴重的區(qū)域進行分析。圖6(a)中，α相在一定程度上扭曲，而β相也在一定程度上彎曲，說明此處在裂紋尖端的塑性變形區(qū)內(nèi)。在疲勞裂紋前端都存在一定尺寸的塑性變形區(qū)。 JINKEUN等[14]對塑性區(qū)與顯微組織關系的研究表明，塑性區(qū)大小與顯微組織之間有密切的關系。圖6(b)中暗色區(qū)域為β相，α/β相界面處位錯密度較高。CASTANY等[15]與ZUO等[16]的研究表明，位錯總是首先萌生于α/β相界面。因此，在相界處比相內(nèi)的位錯聚集程度要明顯得多。當相界位錯聚集到一定程度時便向相內(nèi)運動和聚集 (見圖6(c))。

圖4 Ti-6Al-4V合金焊接接頭、母材、焊縫上部、焊縫中部和焊縫下部的形貌Fig.4 Morphologies of Ti-6Al-4V alloy in welded joint ((a), (b), (c)), base metal (d), upper part of welding seam (e), middle part of welding seam (f) and lower part of welding seam (g) in welded joint

圖5 Ti-6Al-4V合金中母材α、β相形態(tài)及裂紋尖端位錯形態(tài)Fig.5 Morphologies of α, β phases (a), (b) and dislocations ((c)?(f)) at crack tip of Ti-6Al-4V alloy in base metal

在圖6(d)中，等軸α相區(qū)位錯匯集成線，形態(tài)如波浪狀；在位錯形態(tài)之間，相界模糊，并有一定程度的變形，在疲勞循環(huán)應力作用下，裂紋尖端產(chǎn)生一定區(qū)域的塑性變形[11]，位錯線呈弧形發(fā)散(見圖6(e))。在圖6(f)中，位錯密度很高，大量位錯呈弧形發(fā)散，位錯在周期性應力作用下運動，但在某些組織或缺陷作用下位錯會在局部發(fā)生纏結(jié)。這些現(xiàn)象表明，在循環(huán)應力作用下，位錯首先在相界形成，并向相內(nèi)運動；位錯運動與顯微組織交互作用影響材料的疲勞行為。

2.3 焊縫區(qū)裂紋尖端與邊緣顯微形態(tài)對比

圖6 母材裂紋尖端塑性變形形態(tài)、β相內(nèi)位錯形態(tài)、相界處位錯形態(tài)及高密度位錯形態(tài)Fig.6 Morphologies of plastic deformation(a), dislocation in β phase(b), dislocation in phase boundary(c), and high density dislocation ((d)?(f)) at crack tip in base metal

圖7 焊縫區(qū)裂紋邊緣的相及塑性變形顯微形態(tài)Fig.7 Morphologies of phase ((a),(b)) and plastic deformation ((c)?(f)) at crack tip edge in welded joint

在焊縫區(qū)的兩組試樣中，一組為焊縫中心(裂紋尖端)，另一組為焊縫邊緣(裂紋邊緣)。圖7所示為裂紋邊緣相的TEM像。電子束焊接后形成馬氏體，馬氏體呈板條或針狀。在圖7(a)中出現(xiàn)了板條群狀態(tài)，在板條之間的暗色細條為β相(見圖7(b))。在板條群外圍，有波浪狀的位錯組態(tài)，雖然其密度不高，但形態(tài)十分明顯。在裂紋邊緣，板條束產(chǎn)生一定程度的塑性變形(見圖7(c))，相結(jié)構在一定程度上被扭曲。圖7(d)所示為板條束方向結(jié)合處。從圖7(d)可以看到，4個方向分布的板條束在此聚集成一點。圖7(e)和(f)所示為塑性變形的顯微形態(tài)，兩相都在不同程度上被扭曲，相界也產(chǎn)生變形。這表明，在裂紋的邊緣同樣存在塑性變形，且在疲勞循環(huán)后被保存下來。裂紋的擴展前沿有彈塑性變形區(qū)，而當裂紋穿過后，彈性變形被釋放，塑性變形保留在合金中。

圖8所示為焊縫區(qū)裂紋尖端的相形態(tài)。與裂紋邊緣相比，此處針狀結(jié)構更加明顯(見圖8(a))。值得一提的是，在馬氏體板條之間存在一定數(shù)量尺寸較小、細碎狀的等軸相，這些相依附于馬氏體多點形核(見圖8(b))。在電子束焊接冷卻過程中，熱應力導致馬氏體板條尖端破碎，成為二次形核的核心。由于細碎相處于馬氏體板條之間，空間受限，故尺寸較小(見圖8(c))。

圖8 焊縫區(qū)裂紋尖端的馬氏體與馬氏體細碎相形態(tài)Fig.8 Morphologies of martensite (a) and fine phases among martensite lathes ((b), (c)) at crack tip in welded joint

圖9 焊縫區(qū)裂紋尖端不規(guī)則馬氏體板條、細碎相、馬氏體板條結(jié)合處、細馬氏體束處塑性變形及馬氏體板條位錯形態(tài)Fig.9 Morphologies of irregular martensite (a), fine phases among martensite lathes (b), juncture of martensite lathes (c), plastic deformation in narrow martensite lathes (d) and dislocations in martensite lathes ((e),(f)) at crack tip in welded joint

圖10 焊縫區(qū)裂紋尖端位錯形態(tài)(發(fā)散運動, 聚集及從聚集處向外運動)Fig.10 Morphologies of dislocation at crack tip in welded joint: (a) Divergent motion; (b) Accumulation; (c) Motion form accumulated point to outward

細碎相之間的位錯密度要高于馬氏體板條內(nèi)的位錯密度，說明這些細碎相之間的區(qū)域應力集中較高。較高的應力集中表明馬氏體束的協(xié)調(diào)變形能力下降，容易發(fā)展成為裂紋源。由圖9可知，焊縫區(qū)有些區(qū)域并不是規(guī)則的馬氏體板條，還存在一些等軸狀的α相。圖9(a)所示為馬氏體邊緣等軸狀與柱狀的α相形態(tài)。在其邊界上，有位錯呈弧形分布形態(tài)，邊界某處的位錯密度比相內(nèi)的位錯密度高，并在一定區(qū)域聚集成團(見圖9(a)中A區(qū))。圖9(b)所示為等軸α相形態(tài)，在相內(nèi)位錯線呈規(guī)律分布，在相間存在細碎相(見圖9(b)中B區(qū))，細碎相之間位錯大量聚集。圖9(c)所示為幾個方向馬氏體束的結(jié)合處，結(jié)合處中心有圓形位錯發(fā)散的形態(tài)(見圖9(c)中C區(qū))，表明馬氏體束交界處位錯容易萌生。圖9(d)所示為兩細片馬氏體之間的α相形態(tài)，在一些區(qū)域(見圖9(d)中D區(qū))，受循環(huán)應力作用，一些層片較細的束發(fā)生嚴重的塑性變形。這表明，在裂紋的尖端，越細小的組織越可能成為疲勞過程中的“弱化區(qū)”，這些“弱化區(qū)”在循環(huán)應力作用下，細碎相發(fā)生塑性變形，導致駐留滑移帶的軟化，從而加速裂紋擴展。在較細的馬氏體束內(nèi)的位錯密度高于較厚的馬氏體束的位錯密度(見圖9(e)和(f))。SHADEMAN等[17]發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V板條的組織粗大，抗裂紋擴展能力上升。通過對塑性區(qū)大小的計算，JINKEUN等[14]認為，在應力強度因子范圍?K較小時，影響裂紋擴展速率最重要的因素是α板條的寬度，板條寬度越小，裂紋擴展速率越大。ZUO等[16]的研究表明：較細的α板條充當?shù)淖饔镁拖褚粭l晶界，在此處裂紋更容易萌生。在循環(huán)應力的作用下，位錯在合金的“軟點”萌生，并呈發(fā)射狀運動(見圖10)。對裂紋邊緣與裂紋尖端的TEM像進行對比研究發(fā)現(xiàn)，細小的板條更容易發(fā)展成為位錯萌生的源點，裂紋尖端的位錯密度要遠大于裂紋邊緣的位錯密度，且裂紋尖端應力集中，塑性變形程度也更高。焊縫區(qū)由于焊接過程中的熱應力作用，一些馬氏體被碎化成為細碎相，細碎相邊界成為疲勞裂紋源。

2.4 母材與焊縫區(qū)裂紋尖端顯微形態(tài)對比研究

疲勞裂紋在應力強度因子范圍?K較小時，擴展差異與其顯微組織及不同尺寸裂紋擴展的阻力機制有關：在小裂紋擴展階段，裂紋受到前端滑移線的影響沿滑移線向前擴展，晶粒的邊界對顯微小裂紋的擴展形成強大的阻力。母材區(qū)組織為晶粒較小且均勻的等軸晶，而焊縫區(qū)組織則為粗大的柱晶及針狀馬氏體。細小的等軸晶具有更好的協(xié)調(diào)變形能力，能提高鈦合金的滑移變形抗力，抑制循環(huán)滑移的形成和開裂，產(chǎn)生的滑移線細短；針狀馬氏體的位錯滑移程則遠大于等軸晶的位錯滑移程，因此，產(chǎn)生的位錯較長。從TEM像可以發(fā)現(xiàn)，在母材的等軸α相中，位錯運動較為有序；而在焊縫區(qū)馬氏體內(nèi)位錯線的寬度及分叉更加明顯。

在Ti-6Al-4V合金中，hcp型的α相比bcc型的β相脆性更大。因此，滑移首先在β相中啟動，位錯在α/β邊界與初生α相上聚集，如果組織粗大，則滑移長度變大，這就需要增加裂紋尖端位錯的聚集密度[16]。因此，有較長α/β邊界的地方往往更易萌生裂紋。經(jīng)過退火后的母材組織比較均勻(見圖4(d))，從一定程度上降低了裂紋萌生源的可能性；電子束焊接后馬氏體組織中具有長α/β邊界區(qū)域較多，且焊縫中心的板條寬度不十分均勻，細長的板條束就成為裂紋萌生的地方。

3 結(jié)論

1) 疲勞裂紋尖端微觀形態(tài)研究表明：經(jīng)歷疲勞循環(huán)后，位錯密度大大增加，α/β相界面位錯密度較高，易成為位錯形核的源區(qū)；在周期性疲勞載荷作用下，位錯呈放射狀向四周運動。

2) 焊縫區(qū)馬氏體板條之間的細碎相易成為疲勞裂紋形核的“軟點”，焊縫區(qū)較窄的馬氏體板條易成為疲勞裂紋萌生的源區(qū)。

3) 疲勞裂紋尖端存在一定尺寸的塑性變形區(qū)，裂紋尖端承受的應力和應變比裂紋邊緣承受的應力和應變更加復雜。

4) 與母材組織相比，焊縫區(qū)組織不均勻，裂紋萌生“軟點”增加，抗疲勞裂紋擴展能力降低。

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(編輯 陳衛(wèi)萍)

Morphologies at fatigue crack tip of Ti-6Al-4V electron beam welding joints

JI Long-bo, HU Shu-bing, LI Xing-zhi, CHEN Ji-yan, XIAO Jian-zhong
(State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Ti-6Al-4V sheet alloy specimens were precracked in different regions of electron beam welded joints. Transmission electron microscopy (TEM) observations were carried out at fatigue crack tip of base metal and welded joint. The microstructure observations reveal that the experiencing fatigue crack growth, the dislocations which emit from α/β interfaces reach so densely that they incline to become a source of the fatigue cracks, from which the dislocations are diverged radioactively under the cyclic stress. Dislocations accumulate seriously among the fine phases which lay between two martensite lathes, indicating that these small fatigue phases tend to become the source of fatigue crack. In addition, the narrower the width of martensite lathes is, the more easily the dislocations accumulate to become the fatigue source. The plastic zone is also observed at the fatigue crack tip. By comparing the TEM images of different regions, the corresponding evidence that welded joints are more liable to become the source fatigue cracks is found.

Ti-6Al-4V alloy; electron beam welding (EBW); fatigue; crack tip; micromorphologies

TG 146

A

1004-0609(2011)01-0102-08

國家磁約束核聚變能研究專項基金資助項目(2010GB109000)；華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室自主課題(09-10)

2010-04-15；

2010-11-28

胡樹兵，教授；電話: 027-87540057；E-mail：hushubing@163.com