深冷處理對(duì)FSW焊接件組織及力學(xué)性能的影響

屈 林，王 操，屈玉石，張 瀟，王麗萍

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng) 111003）

0 前言

鋁合金由于密度小、強(qiáng)度高、韌性和耐蝕性良好、可加工性及焊接性?xún)?yōu)良等綜合性能，在航空航天、機(jī)械和汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。多數(shù)高強(qiáng)度鋁合金材料需要通過(guò)熱處理獲得高強(qiáng)度與高韌性以滿(mǎn)足使用需求[3-4]，而在擠壓成型或焊接后的快速淬火冷卻過(guò)程中，材料內(nèi)部形成巨大溫差，在構(gòu)件內(nèi)部形成較大的殘余應(yīng)力，使得產(chǎn)品性能降低。此時(shí)可通過(guò)深冷處理的方式消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

本文采用以液氮為介質(zhì)、將材料于-130℃環(huán)境下存放一定時(shí)間的深冷處理工藝，通過(guò)FSW 焊接件經(jīng)過(guò)不同方式的冷、熱循環(huán)處理的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了深冷處理對(duì)其組織及力學(xué)性能的影響以及深冷處理工藝使材料內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)所用材料為6005A 攪拌摩擦焊焊接板材，長(zhǎng)度為60 cm、寬度為20 cm、厚度為2.5 mm。將焊接板材以焊縫為中心制成室溫力學(xué)拉伸件后分別進(jìn)行固溶、固溶+深冷、固溶+時(shí)效和固溶+深冷+時(shí)效處理，具體熱、冷處理工藝如表1所示。室溫力學(xué)拉伸速率為12 mm/min。每個(gè)冷、熱制度結(jié)果取3個(gè)拉伸數(shù)據(jù)的平均值。

表1 熱、冷處理工藝

室溫力學(xué)拉伸試驗(yàn)完成后使用電子掃描顯微鏡進(jìn)行不同制度下的斷口掃描分析，分析其斷口形貌；斷口分析完成后利用熱鑲嵌對(duì)斷口試樣進(jìn)行側(cè)面鑲嵌并進(jìn)行金相組織觀察，觀察其金相組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 常溫拉伸性能

表2為不同制度下FSW焊接板材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。由表2可以看出：與固溶處理后的焊接板材相比，焊接板材經(jīng)過(guò)深冷處理后其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均有所提高，斷后伸長(zhǎng)率沒(méi)有明顯變化；深冷處理對(duì)于時(shí)效處理的影響較大，與固溶后直接時(shí)效處理后的焊接板材相比，深冷處理后進(jìn)行時(shí)效處理其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得到大幅度提升，但其斷后伸長(zhǎng)率明顯下降；不同冷、熱處理后的室溫拉伸試樣的斷裂位置均為焊縫中心“S”線(xiàn)延伸處。固溶+深冷+時(shí)效處理后的焊接板材，其焊縫強(qiáng)度達(dá)到了母材的80%，性能大幅度提高。

表2 不同制度下FSW焊接板材力學(xué)性能

2.2 斷口形貌

圖1為FSW焊接板材在不同制度處理后的室溫拉伸斷口形貌。由圖1可知：FSW焊接板材經(jīng)固溶后其拉伸斷口出現(xiàn)縮頸，斷裂部位位于焊縫中心“S”線(xiàn)附近，斷口中心呈撕裂狀，斷口邊緣部位較平滑；高倍數(shù)下觀察中心斷裂部分形貌，發(fā)現(xiàn)其韌窩尺寸較大且存在大量準(zhǔn)解理面。固溶后進(jìn)行深冷的斷口試樣，其中心撕裂狀斷口與固溶斷口相比較寬，邊部平滑，斷口較少，高倍數(shù)下觀察其中心撕裂出韌窩較大，韌窩尺寸相近。固溶后未經(jīng)深冷處理直接時(shí)效的拉伸斷口，其斷口截面均由韌窩及撕裂棱組成，斷裂位置在“S”線(xiàn)附近但分界不清晰，高倍數(shù)下觀察其韌窩較多且尺寸相近。固溶+深冷+時(shí)效后的拉伸斷口，其斷裂位置位于“S”線(xiàn)，斷裂痕跡清晰明顯，斷口由韌窩及撕裂棱組成；高倍數(shù)下觀察斷口，其韌窩尺寸較小，韌窩內(nèi)部分布較小的第二相，呈明顯的階梯型斷裂。

圖1 FSW焊接板材經(jīng)不同制度處理后的室溫拉伸斷口形貌

2.3 金相組織觀察

圖2為FSW焊接板材經(jīng)不同制度處理拉伸后斷口側(cè)面金相組織形貌。由圖2可知：焊接板材經(jīng)固溶后其拉伸斷口邊緣較為圓滑，斷裂位置距“S”線(xiàn)較近，由陽(yáng)極覆膜圖可知其晶粒被明顯拉長(zhǎng)后穿晶斷裂，強(qiáng)度較差，塑性較強(qiáng)；固溶后進(jìn)行深冷的拉伸試樣的斷口邊緣較為平整，較少出現(xiàn)曲線(xiàn)斷口，斷口位置與“S”線(xiàn)相連，由陽(yáng)極覆膜圖片可知其晶粒被拉長(zhǎng)至斷裂，強(qiáng)度增加，塑性降低；固溶后進(jìn)行時(shí)效的拉伸試樣的斷口平直光滑，斷口位置與“S”線(xiàn)連接，由陽(yáng)極覆膜圖可知其晶粒變形程度明顯降低，沿晶界處發(fā)生斷裂，其強(qiáng)度較高，塑性較低；深冷后進(jìn)行時(shí)效的拉伸試樣沿整條“S”線(xiàn)斷裂，斷口平整光滑，組織內(nèi)部出現(xiàn)再結(jié)晶織構(gòu)，阻礙位錯(cuò)滑移，由陽(yáng)極覆膜圖片可知，其晶粒沿整條晶界線(xiàn)斷裂，強(qiáng)度最高但塑性最差。

圖2 FSW焊接板材經(jīng)不同制度處理拉伸后斷口側(cè)面的金相組織形貌

3 分析與討論

攪拌摩擦焊是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的焊頭與其工作表面產(chǎn)生摩擦熱使材料軟化并在焊頭的壓力作用下使工件焊接在一起，其整個(gè)過(guò)程都是在固態(tài)下完成，因此由于金屬流動(dòng)原因易在焊縫中心產(chǎn)生“S”線(xiàn)，其對(duì)焊縫的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響。在固溶過(guò)程中，由于焊接板材固溶溫度較高（接近母材固相線(xiàn)溫度），其組織中的第二相溶解度較大，且大部分溶于基體中，這使得材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度降低，塑性大幅度提高。在進(jìn)行室溫拉伸時(shí)晶粒被拉長(zhǎng)至斷裂，宏觀表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯縮頸，斷口部位較圓滑。焊接板材經(jīng)固溶后進(jìn)行深冷處理，由于深冷處理是在-196 ℃條件下進(jìn)行，相當(dāng)于在材料時(shí)效之前進(jìn)行了一次預(yù)時(shí)效處理，大大消除了焊接及固溶過(guò)程中的殘余應(yīng)力。同時(shí)，深冷處理使晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)[5]，阻礙位錯(cuò)滑移起到位錯(cuò)釘扎作用，使得材料屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均有所提升，但塑性降低。通過(guò)固溶+時(shí)效與固溶+深冷+時(shí)效對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)深冷處理的試樣由于提前析出部分析出相，在時(shí)效過(guò)程中，第二相的析出更為徹底，且時(shí)效前經(jīng)過(guò)深冷處理的組織在時(shí)效時(shí)由于晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu)，進(jìn)一步提高了材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，但同時(shí)塑性下降明顯。

4 結(jié)論

（1）深冷處理使得FSW 板材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度有所提升。深冷后時(shí)效較未深冷處理試樣的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別提升6%和8%，經(jīng)固溶+深冷+時(shí)效后的FSW板材焊縫的屈服及抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的80%，但其塑性有所下降。

（2）深冷處理使晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，阻礙位錯(cuò)滑移起到位錯(cuò)釘扎作用，時(shí)效后產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu)，進(jìn)一步提高了材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度。