TC4/TA16異種金屬焊接接頭的斷裂機(jī)理研究

北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 彭文雅 邵 玲 吳素君

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 劉 穎 李冬杰

鈦及鈦合金因其優(yōu)越的耐熱、耐腐蝕及比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空、航天、核能、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。其中，TC4鈦合金屬于Ti-A l-V系典型的α+β型雙相熱強(qiáng)鈦合金，目前是航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料之一[2]。我國自行研制的TA16為α鈦合金，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗變形能力，主要用于聯(lián)接管道[3]。TC4/TA16焊接件可用于飛機(jī)管道系統(tǒng)，比單一的TC4有著更好的加工成形性能，同時(shí)比單一的TA16管道有更高的強(qiáng)度，這種異種鈦合金焊接件綜合了各個(gè)母材的優(yōu)點(diǎn)，具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，國內(nèi)外對TC4氬弧焊焊接接頭的研究已趨于成熟[4-5]，但對TA16的焊接接頭研究仍較少，而對TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的研究也極少。這在很大程度上制約了這種異種鈦合金管的生產(chǎn)和使用進(jìn)程。本文針對TC4與TA16鈦合金氬弧焊接頭微觀組織、力學(xué)性能、斷裂的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，旨在分析TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的斷裂機(jī)理，為材料的壽命預(yù)測和完整性研究提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)焊接接頭的母材選用TC4、TA16的軋制板材，經(jīng)過氬弧焊接成板材，后線切割成100mm×20mm×3mm，同時(shí)使焊縫中心位于焊接件的中心位置（見圖1）。材料焊后的熱處理制度為在600℃真空爐退火2h，隨爐冷至室溫，去除內(nèi)應(yīng)力。母材TC4、TA16的化學(xué)成分如表1、2所示，力學(xué)性能如表3所示。

采用OLYMBUS BX51M光學(xué)顯微鏡對母材、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行微觀組織形態(tài)觀察。金相樣品的腐蝕劑為kroll試劑，試劑體積比為HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶5。

硬度測試在FM800小負(fù)荷維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，沿著焊縫中心每隔0.5mm打一次點(diǎn)，再分別在母材、焊縫和熱影響區(qū)部位每隔0.5mm打一次點(diǎn)，最后分別得到橫向和縱向硬度分布曲線。測試時(shí)使用的載荷為0.5kg，保壓時(shí)間15s。制備拉伸試樣，焊縫位于中心，標(biāo)距長度30mm，采用MTS材料拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，位移速率為0.3mm/min。

圖1 焊接接頭示意圖Fig.1 Diagram of welded joints

表1 TC4合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 TA16合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3 母材拉伸性能

加工3點(diǎn)彎試樣，尺寸如圖2所示。線切割位置分別位于TC4母材、TC4側(cè)熱影響區(qū)、焊縫中心、TA16側(cè)熱影響區(qū)、TA16母材。采用MTS 880材料試驗(yàn)機(jī)，測試焊接接頭不同位置處的斷裂韌性，再使用TSM-6010LA型掃描電鏡觀察斷口形貌，確定焊接接頭的斷裂機(jī)理。

圖2 三點(diǎn)彎試樣（mm）Fig.2 Three points bending specimen（mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相結(jié)果及分析

圖3是焊接接頭宏觀表面照片。可以看出，鎢極氬弧焊焊接接頭分為焊縫區(qū)、TC4側(cè)熱影響區(qū)、TA16側(cè)熱影響區(qū)和母材區(qū)。TA16母材的導(dǎo)熱能力小于TC4母材的導(dǎo)熱能力[6]。在焊接過程中，TA16一側(cè)產(chǎn)生大量熱累積，使較大范圍受到熱影響，使該范圍內(nèi)晶核沿著母材向焊縫區(qū)生長，且在熱作用下越長越大，使得TA16側(cè)熱影響范圍和晶粒尺寸均大于TC4側(cè)。

為確定組織形貌，對焊接接頭進(jìn)行了微觀組織觀察，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為TC4母材區(qū)組織，TC4為典型的等軸組織，圖中黑色為初生α相，白色為片狀次生α相和殘余β相構(gòu)成的β轉(zhuǎn)變組織。其中α相含量超過總含量的50%[7]。圖4（b）為TA16母材的微觀組織，TA16是細(xì)小的等軸α晶粒，且大部分為完全再結(jié)晶晶粒和亞結(jié)構(gòu)，尺寸均勻。微觀組織中能看到滑移和孿晶現(xiàn)象，TA16由于是近α型鈦合金，成分中中性穩(wěn)定元素含量極少，所以在熱處理過程中，當(dāng)溫度冷卻到室溫后，β相很難保留下來，導(dǎo)致TA16微觀組織中幾乎沒有β相。圖4（c）為焊縫區(qū)組織形貌，由針狀馬氏體α'+β和原始β晶界組成，圖中的針狀α和β晶界清晰可見。鈦合金α+β→β相轉(zhuǎn)變溫度在880℃左右，原始相在焊接過程中轉(zhuǎn)變成β相，焊縫中心表面由于冷卻速度快，使得β再轉(zhuǎn)變時(shí)形成針狀α'相，同時(shí)晶界β保留下來。在相轉(zhuǎn)變過程中，α'沿著β相晶界慢慢形成晶核生長，最后原始的β晶粒相變?yōu)棣?+β組織。在焊接過程中，熱量導(dǎo)致發(fā)生相轉(zhuǎn)變，原始的α+β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷＆聟^(qū)受熱致使β晶界不同程度的破碎，片狀α相沿不同方向分布形成網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)。TC4側(cè)熱影響區(qū)組織如圖4（d）所示，β轉(zhuǎn)變基體上分布著交錯(cuò)編織成網(wǎng)籃狀的片狀α組織，與焊縫區(qū)相比，該區(qū)的晶粒尺寸更細(xì)。TA16側(cè)熱影響區(qū)組織形貌如圖4（e）所示，該區(qū)組織由于熱量擴(kuò)散慢，導(dǎo)致α晶粒長大，組織不均勻。同時(shí)受到溫度差產(chǎn)生應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，晶粒發(fā)生了較大的塑性變形，出現(xiàn)畸變。

圖3 焊接頭宏觀照Fig.3 Macro photo of welding joint

2.2 拉伸測試結(jié)果及分析

為了測定焊接接頭的強(qiáng)度極限，對5組焊接接頭進(jìn)行了拉伸測試，并用掃描電鏡觀察了斷口形貌。測試結(jié)果為，焊接接頭屈服強(qiáng)度平均值為414MPa，接近TA16母材，低于TC4母材?？估瓘?qiáng)度平均值為518.5MPa，斷裂伸長率為13%，兩者均分別低于兩種母材。這是因?yàn)楹附咏宇^的焊縫中心組織細(xì)小，強(qiáng)度和塑性較好。在焊接過程中，TA16一側(cè)由于散熱能力較差，使TA16一側(cè)熱影響區(qū)長時(shí)間處于高熱區(qū)，晶粒尺寸長大，組織不均勻，使抗拉強(qiáng)度均低于母材和焊縫區(qū)，最終導(dǎo)致拉伸斷裂位置位于強(qiáng)度最低的TA16一側(cè)的熱影響區(qū)。拉伸過程中載荷不斷增大，TA16熱影響區(qū)首先進(jìn)入屈服、硬化，接著頸縮斷裂，而此時(shí)TC4母材和焊接接頭均未達(dá)到屈服狀態(tài)。試樣的斷裂伸長率大部分由該區(qū)域提供，但TA16側(cè)熱影響區(qū)的伸長非常有限，所以出現(xiàn)了斷裂伸長率顯著降低的現(xiàn)象。由圖5可知，斷口出現(xiàn)大小近似相等的等軸韌窩，密且均勻，焊接接頭的拉伸斷裂模式為塑性斷裂。

圖4 焊接接頭顯微組織照片F(xiàn)ig.4 Microstructure photographs of welding joint

圖5 拉伸斷口顯微照片F(xiàn)ig.5 Micro photograph of tensile fracture

2.3 硬度測試結(jié)果及分析

材料硬度大小在一定程度上可以反映出材料的強(qiáng)度。為了進(jìn)一步掌握TC4/TA16異種焊接接頭不同區(qū)域的性能差異，對焊接接頭進(jìn)行橫向和縱向硬度測試，得到的結(jié)果見圖6。母材TC4和TA16的硬度大約為403.958HV和229.666HV。得到的各個(gè)區(qū)域硬度關(guān)系有：TC4母材＞TC4側(cè)熱影響區(qū)＞焊縫中心＞TA16母材＞TA16側(cè)熱影響區(qū)。主要原因有：TC4母材晶粒細(xì)小，組織強(qiáng)度高，所以硬度也大；位于TC4一側(cè)的熱影響區(qū)由于受到焊接熱量輸入的影響，使得晶粒長大，但因?yàn)樾纬杉?xì)小交錯(cuò)的網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，所以硬度很大，但低于TC4母材。焊縫區(qū)的高過冷度使得相變過程中形成針狀的馬氏體組織，且原始β晶界依然存在，所以焊縫區(qū)依然有較高的硬度，但與TC4一側(cè)的熱影響區(qū)相比，其晶粒更粗大，晶界能較低、強(qiáng)度小，所以TC4一側(cè)的熱影響區(qū)的硬度要較高。TA16母材的晶界能低、強(qiáng)度小，其硬度也更低?？拷黅A16母材一側(cè)熱影響區(qū)由于熱擴(kuò)散小，長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，晶粒尺寸長大，組織不均勻，所以該區(qū)域的硬度和強(qiáng)度均是最低的，這也與焊接接頭拉伸斷裂位置為TA16熱影響區(qū)相對應(yīng)。

2.4 斷裂韌性分析

在一般情況（低溫、厚截面或高應(yīng)變速率除外）下，工程結(jié)構(gòu)件常常表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展前在缺陷或裂紋尖端區(qū)域存在較大的塑性變形甚至全面屈服，從而改變了這個(gè)區(qū)域應(yīng)力場的性質(zhì)，最終導(dǎo)致線彈性分析失效而需要借助彈塑性斷裂力學(xué)分析，用CTOD值來衡量材料斷裂韌性的大小[8-9]。本試驗(yàn)分別測試焊接接頭TC4一側(cè)熱影響區(qū)、焊縫中心、TA16一側(cè)熱影響區(qū)以及母材的斷裂韌性。

圖6 焊接接頭各區(qū)顯微硬度Fig.6 Each zone Microhardness of welding joint

TC4鈦合金的平均CTOD為0.071mm，TA16鈦合金的平均CTOD值為0.308mm，母材CTOD值關(guān)系為：TC4＜TA16。TA16鈦合金中的裂紋在擴(kuò)展過程中需要吸收更多的能量，從而使斷裂韌性高于TC4值。在裂紋尖端CTOD的彈性和塑性分量中，塑性分量是構(gòu)成CTOD的主要部分。焊接接頭各個(gè)區(qū)域存在不同的CTOD值，將各區(qū)域CTOD的平均值作圖，得到圖7。沿著焊接接頭TC4母材、TC4側(cè)熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、TA16側(cè)熱影響區(qū)和TA16母材的方向，各區(qū)的CTOD大小關(guān)系依次為：TA16側(cè)熱影響區(qū)＞TA16母材＞焊縫中心＞TC4母材＞TC4側(cè)熱影響區(qū)。TA16側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)，晶粒發(fā)生大塑性變形產(chǎn)生畸變，使裂紋擴(kuò)散途徑曲折，而消耗更多的能量，所以該區(qū)的CTOD最高，但由于晶粒尺寸較大，塑性變形抗力小，所以該區(qū)的硬度、強(qiáng)度低。焊縫組織為針狀α片層+β和原始β晶界，所以強(qiáng)度高于TC4母材，同時(shí)裂紋擴(kuò)展時(shí)，因?yàn)榫Ы缒艽?，使得擴(kuò)展需要吸收較多能量，所以CTOD值也高[10]。

圖7 焊接接頭各位置CTOD值Fig.7 CTOD of each position of welding joint

為了進(jìn)一步了解各個(gè)區(qū)域的斷裂模式，對各區(qū)斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示。圖8（a）為TC4母材裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌，該區(qū)斷口中出現(xiàn)大量的淺韌窩。圖8（b）為裂口開在焊接接頭TC4側(cè)熱影響區(qū)時(shí)的微觀斷口形貌，斷口表面出現(xiàn)一些等軸的小尺寸平面，與等軸晶尺寸相當(dāng)。圖8（c）為焊縫中心斷口形貌，可以看出，裂紋擴(kuò)展區(qū)存在二次裂紋，同時(shí)還存在撕裂棱和小臺(tái)階。圖8（d）為TA16側(cè)熱影響區(qū)斷口形貌，斷口表面出現(xiàn)少量的韌窩，同時(shí)可以看到原變形的粗大α相的痕跡，出現(xiàn)一些小平面。在靜壓過程中，晶粒發(fā)生塑性變形，裂紋吸收大量能量在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，使得CTOD值較高。圖8（e）為TA16母材裂紋擴(kuò)張區(qū)的形貌圖，可見斷口表面存在大量深且大的韌窩。

圖8 焊接接頭斷裂韌性斷口顯微照片F(xiàn)ig.8 Micro photographs of fracture toughness of welding joint

3 結(jié)論

通過分析TC4/TA16異種金屬焊接接頭的金相組織、力學(xué)性能和斷裂韌性，可以得出以下結(jié)論。

（1）通過TIG氬弧焊后，焊接接頭各區(qū)受熱不均勻，從而形成不同的組織結(jié)構(gòu)。由于焊接速度較慢，使組織長時(shí)間處在高熱區(qū)，導(dǎo)致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒偏大。與TC4相比，TA16側(cè)熱影響區(qū)導(dǎo)熱較慢，使晶粒尺寸大于TC4側(cè)熱影響區(qū)的晶粒尺寸。

（2）焊接接頭的屈服強(qiáng)度接近于TA16母材的屈服強(qiáng)度，而延伸率和抗拉強(qiáng)度均低于兩母材。TA16側(cè)熱影響區(qū)在焊接過程中過熱時(shí)間較長，致使晶粒較大，故硬度降低，力學(xué)性能下降?？梢缘贸?，TC4/TA16異種焊接接頭的拉伸薄弱環(huán)節(jié)位于TA16熱影響區(qū)中。

（3）焊接接頭斷裂韌性在不同區(qū)域變化較大。TA16側(cè)熱影響區(qū)CTOD值最高，這是由于裂紋尖端的塑性區(qū)較小，裂紋尖端擴(kuò)展需要吸收較大的能量。當(dāng)3點(diǎn)彎缺口位于TC4區(qū)域時(shí)，裂紋尖端擴(kuò)展需要吸收的能量低故其CTOD值較低。

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