鋁合金攪拌摩擦焊縫和母材疲勞裂紋擴展行為

秦紅珊， 楊新岐

(1.天津大學 理學院，天津 300354；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300354)

鋁合金攪拌摩擦焊縫和母材疲勞裂紋擴展行為

秦紅珊1， 楊新岐2

(1.天津大學 理學院，天津 300354；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300354)

對7075-T6和LC4CS兩種鋁合金攪拌摩擦焊縫的疲勞裂紋擴展(da/dN)行為進行實驗研究，并與7075-T6母材疲勞性能進行對比分析。結果表明：沿焊縫中心、前進和后退邊方向，7075-T6攪拌摩擦焊疲勞裂紋擴展速率da/dN均低于LC4CS的da/dN；但沿垂直于焊縫方向兩者da/dN基本一致；同種材料焊縫中心da/dN為最低，其次是后退邊和前進邊，而沿垂直焊縫方向da/dN為最高；7075-T6焊縫中心da/dN與其母材比較，低載荷ΔK下焊縫中心的da/dN較低、但高ΔK下母材的da/dN較低；在前進邊、后退邊和母材區域疲勞裂紋斷口形貌明顯不同，在母材區域可以觀察到典型的疲勞條紋特征；但沿焊縫中心(焊核)的疲勞裂紋斷口，沒有任何疲勞條紋特征；7075-T6攪拌摩擦焊縫比LC4CS焊縫具有更好的抗疲勞裂紋擴展阻力，在高ΔK載荷下攪拌摩擦焊核區細小等軸晶粒不能提高疲勞裂紋擴展阻力。

攪拌摩擦焊；7075-T6和LC4CS鋁合金；疲勞裂紋擴展；疲勞斷口

高強度Al-Zn鋁合金如7075-T6和LC4CS合金在航空結構制造領域具有廣泛應用，但傳統熔焊方法很難焊接Al-Zn系列鋁合金。英國焊接研究所于1991年發明的攪拌摩擦焊(friction stir welding-FSW)技術可以成功地焊接各種鋁合金，尤其是可靠連接Al-Cu和Al-Zn系列高強鋁合金，這為實現帶筋壁板航空結構的整體化制造、有效降低結構質量和制造成本提供重要基礎[1-3]。FSW接頭疲勞性能是航空結構設計制造領域極為關注的問題[4-6]。已有研究表明，與傳統熔焊接頭(MIG及TIG焊、激光焊等)比較，FSW接頭具有更好抗疲勞特性、在消除焊縫根部缺陷條件下甚至可以達到與母材相當的疲勞性能[7-9]；但目前許多研究都是建立在疲勞S-N曲線實驗基礎上，對鋁合金FSW接頭疲勞裂紋擴展速率da/dN-ΔK的探討相對較少[10-11]，尤其是對FSW接頭不同焊縫區域與疲勞裂紋擴展特性的相互影響缺乏深入分析。FSW接頭具有與熔焊接頭明顯不同的組織特征，焊縫區細化晶粒及殘余應力分布將對疲勞裂紋萌生過程與擴展行為產生顯著影響[10-11]。

本研究對7075-T6和LC4CS兩種Al-Zn鋁合金FSW接頭的疲勞裂紋擴展(da/dN)行為進行實驗研究，對7075-T6母材、沿FSW焊縫中心、前進邊、后退邊及垂直焊縫方向的da/dN-ΔK進行對比分析，詳細討論了FSW接頭不同焊縫區域疲勞斷口形貌特征。研究結果可為評價7000系列鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗疲勞裂紋擴展特性提供重要實驗依據。

1 實驗材料及方法

實驗材料為7075-T6及LC4CS鋁合金板材，FSW接頭焊接試板采用優化工藝焊接制備，其力學性能見表1示。在加工疲勞試樣前，采用X射線無損探傷方法對全部焊縫進行檢測以保證焊縫中不存在缺陷。采用緊湊拉伸(CT)試樣進行疲勞裂紋擴展速率試驗，CT試樣形式及尺寸如圖1所示。

疲勞預制裂紋位于四種不同位置：沿焊縫中心線(WN)、前進邊(AS)和后退邊(RS)、垂直于焊縫方向(PW)，疲勞應力比為R=0.06，每組有效試樣數目分別為3。疲勞裂紋擴展速率實驗依據GB9447—1988標準進行。疲勞實驗在100 kN高頻疲勞試驗機上進行拉伸疲勞實驗，全部試樣均為焊態，載荷為恒幅正弦加載波形。試驗機的靜載精度為±0.2%，動載振幅波動度為±0.2%，加載頻率范圍為75～125 Hz，測試疲勞裂紋擴展量Δa與循環次數N的Δa-N關系，依據Paris公式計算da/dN-ΔK評定疲勞裂紋擴展性能[12]。

FSW接頭金相實驗采用垂直焊縫方向的橫向切片試樣。先用鋁土的懸浮液進行拋光，再用新配的Dix-Keller試劑(4 mL氫氟酸，6 mL鹽酸，10 mL硝酸和190 mL水)進行腐蝕，然后用蒸餾水洗凈吹干，在光學顯微鏡下觀察其顯微組織。分別用OLYMPUS-GX51光學顯微鏡和PHLIPS XL-30掃描電鏡(SEM)觀察疲勞裂紋擴展斷口形貌，分析討論FSW焊縫中疲勞裂紋萌生、穩態擴展及失穩斷裂特征。

表1 鋁合金7075-T6和LC4CS的力學性能

2 實驗結果統計處理

依據Paris公式，疲勞裂紋擴展速率da/dN(m/cycle)與應力強度因子范圍ΔK關系可表示為：

da/dN=C(ΔK)m

(1)

式中：ΔK=Kmax-Kmin，MPa·m1/2；C和m為材料常數。對給定載荷水平ΔK，假設da/dN符合對數正態分布，通過n個數據點可以確定對數均值和其標準偏差的對數估算值。材料常數m利用最小二乘法擬合試樣數據點的da/dN-ΔK曲線獲得，對式(1)兩邊取對數可得擬合公式如下：

lg(da/dN)=lgC+mlg(ΔK)

(2)

對CT試樣，ΔK計算公式為：

(3)

式中：α=a/W；ΔP=Pmax-Pmin為載荷范圍；a為裂紋長度；B和W(m)分別為CT試樣厚度和寬度。采用遞增多項式法確定da/dN。對疲勞裂紋擴展a-N曲線上任一數據點i，分別取其前、后各n點，共(2n+1)連續數據點，采用最小二乘法進行局部擬合：

(4)

(5)

將不同ΔKi(i=1,n)和m帶入式(1)可確定Ci(i=1,n)值。材料常數C的均值Cm和其標準偏差sc的估算值可由下式確定：

(6)

式中：n為數據點數目。根據國際焊接學會(IIW)推薦的疲勞數據統計計算方法[12]，Cm表示對應50%失效概率的特征值，而對應95%和5%失效概率并位于75%置信區間的特征值Cu和Cl分別為：

lgCu,l=lgCm±ktlgsc

(5)

式中：

根據上述公式對疲勞試樣分別計算的結果如表2，3所示，典型實驗結果擬合曲線如圖2所示。其中Cm為da/dN統計結果的均值，表示實際疲勞壽命超過采用該數據預測疲勞壽命的失效概率為50%；Cu和Cl分別為da/dN數據分散帶的上限和下限值，表示實際壽命超過該預測疲勞壽命的失效概率分別為95%和5%。計算結果表明，7075-T6和LC4CS-FSW接頭da/dN-ΔK曲線的斜率m均在2

表2 7075-T6鋁合金FSW接頭試樣Paris公式統計分析結果

表3 LC4CS鋁合金FSW接頭試樣Paris公式統計分析結果

3 分析與討論

為表示整體數據的變化趨勢(而不是用分散帶上限的保守值)，采用50%失效概率的da/dN-ΔK曲線，討論FSW接頭不同焊縫區域對疲勞裂紋擴展特性的影響。圖3分別表示7075-T6和LC4CS-FSW焊縫各區域da/dN的比較?？梢钥闯觯瑢?075-T6鋁合金FSW接頭，沿焊縫中心(WN)的da/dN最低，其次是后退邊(RS)和前進邊(AS)，而沿垂直焊縫方向的da/dN為最高；鋁合金7075-T6焊縫中心da/dN與其母材比較：低載荷ΔK(ΔK<16 MPa·m1/2)下焊縫中心的da/dN較低、但高載荷(ΔK>16 MPa·m1/2)下母材的da/dN較低。LC4CS-FSW接頭da/dN具有類似的變化趨勢，但沿焊縫中心、前進邊及后退邊的da/dN差別較小。這表明在高載荷(ΔK>16 MPa·m1/2)下與母材比較，FSW焊核內細化等軸晶粒并不能提高抗疲勞裂紋擴展阻力，但在低載荷(ΔK<16 MPa·m1/2)有利于提高疲勞裂紋擴展阻力；而沿垂直焊縫方向da/dN較高與FSW焊縫附近存在的拉伸殘余應力有關。

實驗表明：沿焊縫中心、前進邊和后退邊方向，7075-T6鋁合金FSW接頭疲勞裂紋擴展速率都低于LC4CS的da/dN，但沿焊縫中心7075-T6和LC4CS的da/dN差異明顯較大(圖4示)，沿前進邊和后退邊方向兩者da/dN差異較小(圖5示)；而沿前進邊的疲勞裂紋擴展速率總是高于后退邊的da/dN；沿垂直于焊縫方向7075-T6和LC4CS的da/dN基本一致。這表明由于不同焊縫區域組織結構對FSW接頭da/dN有較大的影響，LC4CS鋁合金FSW接頭的抗疲勞裂紋擴展阻力低于7075-T6鋁合金FSW接頭。

為了更深入探討FSW接頭疲勞裂紋擴展特性，進行了接頭不同區域組織特征、顯微硬度檢測及疲勞裂紋擴展斷口SEM觀察。圖6表示7075-T6-FSW接頭不同區域組織變化?？梢钥闯瞿覆膮^為沿軋制方向拉長粗大晶粒組織，而焊核區為明顯細化等軸晶粒；前進邊熱力影響區與焊核區界面清晰，具有明顯組織不均勻特征；而后退邊熱力影響區具有相對均勻的組織過渡區域。這種組織不均勻性必然會對接頭局部性能產生顯著影響，使得疲勞裂紋擴展行為具有較大差異。圖7表示兩種FSW接頭焊縫顯微硬度檢測結果，可以看出沿焊縫截面和厚度存在硬度軟化現象，焊核區由于晶粒細化使得硬度提高，但在前進邊和后退邊FSW接頭軟化明顯、最低顯微硬度約為母材的60%(7075-T6)和55%(LC4CS)。硬度反映了材料的抗拉強度，而疲勞強度與材料抗拉強度呈比例，這也說明FSW前進邊和后退邊組織結構具有較低抗疲勞斷裂性能。圖8～10表示不同焊縫區域穩態疲勞裂紋擴展區域斷口形貌?？梢钥闯?，沿焊縫中心和垂直焊縫方向的焊核區的疲勞斷口與母材區、FSW接頭前進邊和后退邊形貌明顯不同；在焊核區不論是沿焊縫方向或垂直焊縫方向的焊核區，7075-T6和LC4CS的疲勞斷口相貌基本類似，斷口表面呈明顯顆粒狀、粗糙度明顯大于其他區域斷口表面，是一種細小的晶粒變形特征、并呈現晶間斷裂模式，觀察不到任何疲勞條紋特征(圖8示)，應是FSW焊核細化等軸晶粒疲勞裂紋擴展特征，這種細化晶粒間斷裂特征在低載荷下有利于降低da/dN，但在高載荷下將增加da/dN將低抗疲勞裂紋擴展阻力。在前進邊和后退邊區域，疲勞斷口平坦、粗糙度很低，有較大變形平臺和塑性變形特征，晶粒結構粗大、是一種準解理的穿晶斷裂模式，在斷口平臺上可以觀察到典型的疲勞條紋特征；母材區域疲勞條紋比前進邊和后退邊區域更為清晰，是一種塑性疲勞條紋特征。

疲勞斷口形貌的差異表明疲勞斷裂機理的不同，在高載荷下FSW焊核區細化等軸晶粒形成粗糙斷口、晶間斷裂形式并沒有改善和提高抗疲勞裂紋擴展的阻力，相反沿晶間疲勞裂紋擴展速率似乎更高；在前進和后退邊區域晶粒大小與母材類似，疲勞裂紋沿晶粒內部形成的不同平臺擴展、平臺邊緣有較大塑性變形特征，但由于局部硬度降低(軟化)，雖塑性增加但料強度降低并未提高抗疲勞裂紋擴展疲勞阻力。在高載荷下母材穿晶斷裂模式消耗更多能量，因此有可能降低疲勞裂紋擴展速率，提高抗疲勞裂紋擴展阻力。實驗表明在疲勞裂紋穩態擴展階段，高強鋁合金7075-T6和LC4CS經常觀察到疲勞條紋，但前進邊和后退邊區域疲勞條紋不如母材區清晰、有脆性變形特征；而沿焊核區沒有任何疲勞條紋，這表明FSW焊核的細化等軸晶粒應具有不同的疲勞裂紋擴展機制。

4 結 論

(1)對7075-T6和LC4CS兩種鋁合金攪拌摩擦焊接頭不同區域的da/dN-ΔK公式中的材料常數C和m進行了統計分析，分別獲得了三種失效概率(50%，5%和95%)的C和m材料性能數據。

(2)鋁合金7075-T6攪拌摩擦焊接頭焊縫中心、前進邊和后退邊的疲勞裂紋擴展速率da/dN都低于LC4CS的da/dN；但沿垂直于焊縫方向兩者da/dN基本一致。對同種鋁合金焊縫中心da/dN為最低，其次是后退邊和前進邊，而沿垂直焊縫方向da/dN為最高。鋁合金7075-T6焊縫中心da/dN與其母材比較，低載荷(ΔK<16 MPa·m1/2)下焊縫中心的da/dN較低，但高載荷(ΔK>16 MPa·m1/2)下母材的da/dN較低。

(3)攪拌摩擦焊接頭母材、前進邊和后退邊疲勞斷口是準解理穿晶斷裂模式，可以觀察到典型的疲勞條紋特征；但焊核的細化等軸晶區域疲勞斷口是晶間斷裂模式，沒有觀察到任何疲勞條紋特征，其疲勞裂紋擴展機制不母材不同。鋁合金7075-T6攪

拌摩擦焊縫具有比LC4CS焊縫更好的抗疲勞裂紋擴展阻力，在高載荷(ΔK>16MPa·m1/2)下與母材比較，焊核區細化等軸晶粒不能提高疲勞裂紋擴展阻力。

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Abstract： The fatigue crack propagation performances for friction stir welded AA7075-T6 and LC4CS (a Chinese brand aluminum alloy similar to AA7075-T6) joints and their corresponding base materials have been investigated. It was found that the fatigue crack growth rates (da/dN) for AA7075-T6 welded joints along the weld center line, advanced and retracted side regions are all slower than that of LC4CS alloy, but the da/dNvalues along the perpendicular direction of weld for both alloys are the approximate same values. The da/dNalong the weld center line is the lowest, the second is that of retracted and advanced side and the da/dNalong the vertical direction of weld is the highest. The da/dNof AA7075-T6 FS welds is slower at the range of low load ΔKcompared to base material, but for the range of high ΔK, the da/dNof AA7075-T6 base material is slower. The fracture surface of crack growth along the weld center line is obviously different from that of advanced and retracted side regions and base materials. The typical fatigue striations can be observed across the surface of fatigue crack stable growth for advanced and retracted side regions and base material, but not any fatigue striation can be found along the fatigue fracture surface of weld center line. The resistance of fatigue crack propagation for AA7075-T6 FS welds is better than that of LC4CS welds and the fine and equiaxed grains at nugget region have no good benefit to reduce the da/dNof AA7075-T6 and LC4CS FS welds.

Keywords: Friction stir welds；AA7075-T6 and LC4CS alloy；fatigue crack propagation；fatigue fracture surface

(責任編輯：張 崢)

PerformancesofFatigueCrackGrowthforAluminumFrictionStirWeldsandBaseMaterials

QIN Hongshan1, YANG Xinqi2

(1.School of Science, Tianjin University, Tianjin 300354, China;2.School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300354, China)

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000125

TG4042

A

1005-5053(2017)05-0041-07

國家自然科學基金(50775159)

楊新岐(1962—)，男，博士，教授，主要從事材料加工工程研究，(E-mail)xqyang@tju.edu.cn。

2016-07-17；

2016-09-07