5A06鋁合金及其焊接接頭的疲勞斷裂行為

張紅霞，吳廣賀，閆志峰，裴飛飛，李晉永，王文先，李永蓮

(太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024)

5A06鋁合金是Al-Mg系防銹鋁，具有較高的強度、良好的腐蝕穩定性和焊接性等特點[1]，在高強度的輕型結構中得到廣泛應用，用其代替鋼鐵材料，可大大減輕構件的質量，是節能、環保的最佳備選材料。目前，鋁合金焊接結構廣泛應用于航空航天[2-3]、汽車、軌道客車等交通運載工具以及相關的技術領域，這些結構離不開焊接技術的支持，并且都承受疲勞載荷的作用。

疲勞斷裂是金屬結構尤其是焊接結構失效的一種主要形式。在焊接結構的失效中，因交變載荷引起的疲勞斷裂事故占機械結構失效總數的 80%～90%[4-5]，一旦發生疲勞破壞事故，往往給人們的生命財產帶來災難性的損失。隨著科技的發展，人們對金屬材料的性能要求變得更高，使得材料的疲勞性能研究變得尤為重要[6]。

目前，國內外對于鋁合金的研究主要集中在先進焊接方法研究[7-8]、鋁合金疲勞性能[[9-10]、鋁合金疲勞行為[11-12]和裂紋擴展速率[13]等方面；研究發現影響鋁合金及其焊接接頭疲勞性能的因素有：微觀組織[14]、焊縫幾何特征[4]、焊接參數[15]、機械處理方法[16]和焊接殘余應力[17]等。這些研究主要分析了鋁合金及其對接接頭的疲勞性能和相關的影響因素，而針對 5A06防銹鋁合金不同焊接接頭疲勞斷裂行為的研究涉足較少。由于防銹鋁合金結構件的結構形式多樣，并且多用于循環載荷加載的情況下，因此，研究動載荷作用下鋁合金及其焊接接頭的疲勞斷裂行為具有的理論價值和現實意義。

本文作者對 5A06防銹鋁合金母材及其對接、橫向十字、側面連接和縱向十字接頭形式的焊接接頭進行疲勞試驗，并分析母材及其接頭的疲勞性能、裂紋啟裂部位及擴展特征，對疲勞斷裂機理進行初步探討。

1 實驗

1.1 試驗材料

試驗采用10 mm厚的擠壓成型5A06 H112鋁合金板，焊接材料選用直徑3.2 mm的ER5356焊絲，其化學成分見表1，室溫力學性能見表2。

1.2 焊接工藝

鋁合金焊接接頭均采用手工TIG焊進行焊接，焊接設備為聯合匯力的300GP型AC/DC TIG電焊機。焊絲在焊前用砂紙打磨，去除表面氧化膜，焊接工藝參數如表3所示。

表1 5A06鋁合金和ER5356焊絲化學成分Table 1 Chemical compositions of 5A06 and ER5356 (mass fraction, %)

表2 5A06鋁合金和ER5356板材室溫力學性能Table 2 Mechanical properties of 5A06 and ER5356 at room temperature

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding process parameters

1.3 試驗過程

鋁合金母材的疲勞試樣經機械加工直接成型；對接接頭和橫向十字接頭試樣先焊接然后再機械加工成型，側面連接和縱向十字接頭試樣先機械加工成型然后進行焊接。鋁合金母材及焊接接頭的試樣形狀和尺寸如圖1所示。

1.4 試驗設備

本試驗使用PLG-200D數字化高頻拉壓疲勞試驗機進行試驗，室溫條件下進行，最大交變負荷為 100 kN，靜負荷示值相對誤差≤±1%，交變負荷波動度為0.5%FS，平均負荷波動度為0.5%FS。采用的載荷類型為拉-拉載荷，加載頻率f=111～116 Hz，應力比r=0。

2 結果與分析

2.1 顯微組織觀察

采用光學顯微鏡對 5A06鋁合金及其焊接接頭進行金相組織分析。圖2所示為母材橫截面的金相分析結果。由圖2可發現材料晶粒為混晶組織，在晶內和晶界有析出物存在。

圖3(a)所示為對接接頭焊縫中心金相照片，圖3(b)所示為焊縫熱影響區金相照片。由圖3可以看出，焊縫及其熱影響區在冷卻時晶界上均有析出相產生，且由于焊接加熱過程中熱作用的影響，焊接熱影響區組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻。

圖1 5A06鋁合金母材及焊接接頭疲勞試件形式及尺寸Fig. 1 Version and size of 5A06 aluminum alloy fatigue specimen (Unit: mm): (a) Base metal; (b) Butt joint; (c) Transverse cross joint;(d) Lateral connection joint; (e) Longitudinal cross joint

2.2 疲勞試驗結果

疲勞強度與循環次數之間的關系，即疲勞S—N曲線以指數形式表示為

以對數形式表示為

式中：S為疲勞強度，在本實驗中用應力范圍Δσ表示；N為循環次數；m和C為擬合的常數。對疲勞數據可用最小二乘法擬合得出上述表達式，并求出N=2×106循環次數下相應的疲勞強度和不同應力水平下的疲勞壽命，然后進行比較分析。

圖2 5A06鋁合金母材金相組織Fig. 2 Metallograph of 5A06 base metal

5A06鋁合金母材及焊接接頭的疲勞試驗結果見表4。由表4可知，母材試樣1～6疲勞斷裂部位均在試件中部標段內，試樣8～9經過5×106次循環后未發生斷裂；4種焊接接頭試樣1～7疲勞斷裂部位為焊趾部位，試樣8～9經過5×106次循環后未發生疲勞斷裂。

式中:V為設計調蓄容量,m3;ri為降雨強度曲線上對應降雨歷時ti的降雨強度,mm/h;rc為調蓄池出流過流能力值對應的降雨強度,mm /h;ti為任意降雨歷時,s;α為徑流系數,hm2;A為流域面積,hm2.

根據表4的疲勞數據繪出5A06鋁合金母材及其焊接接頭的名義應力中值S—N曲線，如圖4所示，其曲線參數見表5。由圖4中可知，對應于50%存活率母材的疲勞強度為 99.79 MPa，對接接頭、橫向十字接頭、側面連接接頭和縱向十字接頭的疲勞強度分別為70.96、57.48、48.20和41.80 MPa，焊接接頭的疲勞性能低于母材的。

圖3 鋁合金對接接頭金相組織Fig. 3 Metallographs of 5A06 aluminum alloy butt joint:(a) Weld center; (b) HAZ

由表5和圖4的S—N曲線可以看出，鋁合金焊接接頭的疲勞性能依賴其接頭型式，不同焊接接頭型式疲勞性能差別較大，對接接頭疲勞性能為母材的71.1%，橫向十字接頭、側面連接接頭和縱向十字接頭的疲勞強度分別為母材的57.6%、48.3%和41.9%。造成這種結果的原因是由于焊接接頭中存在應力集中和焊接殘余應力，不同接頭形式的應力集中程度不同，最終導致不同接頭形式的疲勞性能差別較大。

表4 5A06鋁合金疲勞及其接頭的試驗結果Table 4 Fatigue test results of 5A06 aluminum alloy and its welded joints

圖4 鋁合金5A06焊接接頭的S—N曲線Fig. 4 S—N curves of 5A06 Al alloy and its welded joints

表5 5A06鋁合金焊接接頭名義應力S—N曲線參數Table 5 Parameters of S—N curves for 5A06 aluminum alloy and its welded joints

2.3 裂紋起裂和擴展特征

2.3.1 宏觀裂紋起裂和擴展特征

對 5A06鋁合金母材及其焊接接頭的疲勞起裂位置進行分析，結果如圖5所示。

圖5 鋁合金及其焊接接頭疲勞斷裂位置Fig. 5 Fatigue fracture position of aluminum alloy and its welded joint: (a) Base metal; (b) Butt joint; (c) Transverse cross joint;(d) Lateral connection joint; (e), (f) Longitudinal cross joint

圖5(a)所示為母材疲勞試驗后疲勞裂紋的產生部位照片，由圖 5(a)可以發現，母材起裂于疲勞試件的最小截面部位，然后沿垂直于載荷的方向擴展。圖5(b)所示為對接接頭裂紋起裂位置，圖 5(c)所示為橫向十字接頭裂紋起裂位置，可以發現兩種接頭裂紋均沿焊趾部位起裂，裂紋在試件表面均沿熔合線方向擴展，在橫截面沿著熱影響區擴展；對接接頭焊縫有的裂紋起裂于試件中間熱影響區部位；圖5(d)所示為側面連接接頭裂紋起裂位置，裂紋啟裂于兩試板連接處的應力集中部位，并沿垂直于載荷的方向擴展；圖 5(e)和(f)所示為縱向十字接頭裂紋的起裂部位和擴展方向，裂紋起裂于熱影響區部位，沿著垂直于載荷方向擴展。

2.3.2 微觀裂紋擴展特征

對 5A06鋁合金母材及其對接接頭的疲勞裂紋微觀擴展特征進行分析，其結果如圖6和7所示。

圖6(a)所示為母材疲勞裂紋擴展微觀照片，圖6(b)所示為疲勞裂紋尖端擴展特征，圖6(c)所示為圖6(b)中局部的放大照片，可以發現裂紋宏觀觀察時為平滑擴展，但在微觀下疲勞裂紋擴展曲曲彎彎，在裂紋的擴展過程中沿著與主裂紋不同方向有二次裂紋，但這些二次裂紋擴展的距離比較短，主裂紋以垂直于載荷的方向擴展；裂紋擴展為沿晶和穿晶的混合特征。

材料中夾雜物或第二相粒子的存在能夠阻礙裂紋的擴展，改變裂紋的擴展途徑，增加了裂紋擴展的曲折度從而阻礙裂紋的擴展[6]。

2.4 斷口分析

2.4.1 宏觀斷口分析

鋁合金母材及其焊接接頭的宏觀斷口如圖 8所示。圖8(a)和(b)所示為對接接頭宏觀斷口，裂紋起裂于焊縫熱影響區(圖 8(a))或板材橫斷面棱角部位(圖8(b))，裂紋擴展為弧形擴展特征；圖8(c)和(d)所示為側面連接接頭的宏觀斷口，裂紋起源于主板和側板連接的焊接接頭應力集中部位或者焊接缺陷部位，然后呈弧形擴展；圖8(e)所示為縱向十字接頭的宏觀斷口，可以發現裂紋起裂于承載板與非承載板相連的焊縫熱影響區部位，然后沿著垂直于載荷方向擴展。由圖 8可以發現，鋁合金斷口呈暗灰色纖維狀，宏觀斷口具有一定的塑性特征。

2.4.2 微觀斷口分析

對鋁合金焊接接頭的疲勞斷口進行 SEM 電鏡掃描觀察，結果如圖9所示。

圖6 鋁合金疲勞裂紋擴展微觀照片Fig. 6 Microstructure showing fatigue crack propagation of aluminum alloy: (a) Crack; (b) Crack tip; (c) Partially enlarged image of Fig.6(b)

圖7 鋁合金對接接頭疲勞裂紋擴展微觀照片Fig. 7 Microstructure showing fatigue crack propagation of aluminum alloy butt joint

圖8 鋁合金焊接接頭疲勞斷口宏觀形貌Fig. 8 Macrostructure of fatigue fractures of aluminum alloy welding joint: (a) Butt joint; (b) Transverse cross joint; (c), (d) Lateral connection joint; (e) Longitudinal cross joint

圖9 鋁合金焊接接頭的疲勞斷口SEM像Fig. 9 SEM images of fatigue fracture sections of aluminum alloy joints: (a) Butt joint; (b), (c), (d), (e) Transverse cross joint;(f) Lateral connection joint; (g), (h) Longitudinal cross joint

圖9(a)所示為對接接頭疲勞斷口，斷口中存在較多的球狀孔洞，其孔洞周圍分布著疲勞變形過程中留下的龜裂組織，少量孔洞中存在著夾雜相，斷口為解理特征斷口。圖 9(b)～(e)所示為橫向十字接頭的疲勞斷口，由圖9(b)中可以看出，斷口上存在解理臺階。由圖9(d)可以看出，斷口中存在二次裂紋，在循環應力加載過程中，產生許多尺寸較小的二次裂紋，在最終的疲勞斷口上體現為龜裂形貌。圖 9(e)所示的斷口中發現在裂紋擴展區中存在疲勞條紋，條紋基本上垂直于裂紋擴展方向，它的出現是疲勞裂紋穩定擴展的重要特征；另外，斷口中還存在少量二次裂紋。圖9(f)所示為側面連接接頭的微觀疲勞斷口，可以發現裂紋起源于材料棱角部位；由圖中可以看出，疲勞裂紋萌生后，由源區出發向前擴展的裂紋，由于裂紋前沿的阻力不同，而發生擴展方向上的偏離，此后裂紋開始在各自的平面上繼續擴展，不同的斷裂面相交而形成臺階，這些臺階在斷口上構成了放射狀。圖9(g)和(h)所示為縱向十字接頭微觀斷口，對其放大后發現，斷口由細小的韌窩組成，鋁合金焊接接頭在外部拉應力的作用下，材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集，最后相互連接導致斷裂后在斷口表面形成韌窩。斷口中存在許多球狀孔洞。

由以上分析可以發現，鋁合金焊接接頭的斷口具有準解理斷裂的特征，斷口中存在球狀孔洞、疲勞條紋、韌窩，并有二次裂紋存在。

3 結論

1) 5A06鋁合金母材及其焊接接頭的疲勞試驗結果為母材的疲勞強度為99.97 MPa；對接接頭、橫向十字接頭、側面連接接頭和縱向十字接頭的疲勞強度分別為70.96、57.48、48.20和41.80 MPa。

2) 5A06鋁合金母材疲勞試驗裂紋起裂部位為段標內截面最小部位，對接接頭和橫向十字接頭裂紋起裂于焊趾部位，側面連接接頭裂紋起裂于兩板連接處的應力集中部位，縱向十字接頭裂紋起裂于熱影響區部位，微觀裂紋擴展過程為沿晶和穿晶混合特征。

3) 鋁合金的疲勞斷口中存在球狀孔洞、疲勞條紋、韌窩和二次裂紋，具有準解理斷裂的特征。

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