鋁合金5083焊接試樣微觀(guān)力學(xué)測(cè)試分析

常 超 張 柱 林金保

（太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024）

焊接接頭是零件強(qiáng)度最薄弱的地方，在焊接過(guò)程中由于在加熱或冷卻過(guò)程中，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，在焊接接口不同微區(qū)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因而對(duì)焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、腐蝕開(kāi)裂及可靠性等力學(xué)性能都有很大影響。很多學(xué)者研究焊接接頭微區(qū)的力學(xué)性能，喬及森等[1]采用穿孔剪切法研究鋁合金材料Al6063焊接區(qū)域的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，得到了抗拉強(qiáng)度、屈服極限及加工硬化指數(shù)與距離焊縫中心距離的關(guān)系；鄭小茂等[2]利用硬度計(jì)對(duì)焊接接口進(jìn)行微區(qū)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)硬度值最低點(diǎn)出現(xiàn)在熱影響區(qū)，同時(shí)對(duì)不同焊接工藝的焊接試樣進(jìn)行了拉伸試樣，進(jìn)而優(yōu)化了焊接工藝；杜家振[3]等利用納米壓痕實(shí)驗(yàn)與微拉伸實(shí)驗(yàn)分析了鋁合金焊接接頭不同微區(qū)的力學(xué)性能，包括彈性模量、屈服極限等的分布規(guī)律；楊喜昌等[4]通過(guò)顯微硬度測(cè)試研究YAG激光焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）及激光-MIG電弧復(fù)合焊三種不同焊接工藝在焊接接口區(qū)域的硬度分布，得出MIG焊接工藝的顯微硬度最高。

納米壓痕測(cè)試技術(shù)作為一種高分辨率的檢測(cè)技術(shù)，具有試樣制備簡(jiǎn)單、非破壞性等特點(diǎn)，通過(guò)記錄連續(xù)的壓入位移與壓入力，可用于測(cè)量焊接試樣熱影響區(qū)在微尺度下的硬度、彈性模量及塑性性能等力學(xué)性能。本文利用納米壓痕測(cè)試方法對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀(guān)力學(xué)分析，研究鋁合金焊接接頭的彈塑性性能。

1 納米壓痕實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及制備過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料為5083鋁合金焊接試樣，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）焊接。在納米壓痕試樣前，需對(duì)焊接試樣進(jìn)行加工研磨和拋光，具體步驟如下。第一，研磨。分別選用600#、1000#、1200#砂紙對(duì)試樣焊接區(qū)域的截面進(jìn)行人工研磨。第二，拋光。分別用9μm、6μm、3μm、1μm、0.05μm的拋光液對(duì)研磨后的試樣進(jìn)行拋光至鏡面程度。納米壓痕試樣如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用Nanoindenter XP（Nanoinstruments Innovation Center，MTS systems，TN，USA）進(jìn)行微觀(guān)力學(xué)測(cè)試，采用連續(xù)剛度法（CSM）施加2nm的位移和45Hz的動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)量相應(yīng)力的振幅和相位得到隨著位移變化的連續(xù)剛度[5]。測(cè)試過(guò)程采用位移控制，最大壓痕深度為2000nm。Berkovich金剛石壓頭常用于測(cè)試材料的彈性性能，選擇Berkovich金剛石壓頭的尖端圓弧半徑為100nm左右，在實(shí)驗(yàn)之前使用熔融石英對(duì)壓頭進(jìn)行校核。焊接接口具有幾何對(duì)稱(chēng)性，只需對(duì)其一側(cè)進(jìn)行測(cè)量。為了表征焊縫接口微區(qū)的彈性模量與硬度的微觀(guān)分布，在焊縫微區(qū)加載納米壓痕點(diǎn)陣。圖2所示框形區(qū)域?yàn)榧{米壓痕測(cè)試區(qū)域，覆蓋1/4焊接接口區(qū)域，包括焊核區(qū)、焊縫過(guò)渡區(qū)及焊接基體區(qū)，每個(gè)壓痕間距大約為500μm。球形壓頭具有較好的彈塑性過(guò)渡區(qū)域，常用于測(cè)試材料的塑性性能，實(shí)驗(yàn)選用半徑為5.9μm的球形金剛石壓頭分別測(cè)試焊接基體區(qū)與焊縫區(qū)的塑性性能。

圖1 納米壓痕試樣

圖2 壓痕點(diǎn)陣

1.3 測(cè)試力學(xué)模型

采用Oliver-Pharr方法是納米壓痕原位測(cè)試材料彈性模量和硬度常用的經(jīng)典方法[6-7]。納米壓痕測(cè)試的硬度由式（1）測(cè)得：

其中：P是加載的載荷，Ac是載荷力作用下的投影接觸面積。

Er（r為下標(biāo)）是壓頭和被測(cè)試樣的約化模量，可表示為：

其中，v和vi為被測(cè)材料與金剛石壓頭的泊松比。

在納米壓痕技術(shù)測(cè)試中接觸面積是間接測(cè)得的，當(dāng)壓頭壓入試樣時(shí)印痕的深度h由接觸高度hc和接觸周?chē)母叨萮s組成：

ε是壓頭幾何特征值，測(cè)量材料硬度和彈性模量最常用的壓頭是幾何對(duì)稱(chēng)球形壓頭壓頭ε=0.75。

接觸面積Ac可以通過(guò)加載在標(biāo)定材料石英上的不同印痕位移迭代得到的，接觸面積Ac與接觸高度hc可以通過(guò)式（6）擬合：對(duì)于理想球形壓頭c0=3.14，ci是常數(shù)，表示實(shí)際壓頭的幾何形貌。

根據(jù)載荷位移曲線(xiàn)和連續(xù)剛度測(cè)試，通過(guò)Kalidindi模型測(cè)試材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)[8]。

其中，a是在壓痕載荷為P作用下的接觸半徑，h是彈性壓入深度，Reff分別為有效半徑。

利用Hertz理論，Kalidindi模型可將載荷位移曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)：

其中，σind為壓痕代表應(yīng)力，εind為壓痕代表應(yīng)變。

在Kalidindi模型中的應(yīng)力約束因子為2.2，代表應(yīng)變包含彈性應(yīng)變?chǔ)舉ind和塑性應(yīng)變?chǔ)舏pnd，應(yīng)變約束因子εsc可以表示為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為玻式壓頭的納米壓痕在框形區(qū)域點(diǎn)陣的加載力-位移曲線(xiàn)：在加載階段曲線(xiàn)，2000nm壓入深度下的加載力分布在100～115mN，在不同區(qū)域的晶粒大小及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)加載階段的力-位移曲線(xiàn)產(chǎn)生影響。與加載曲線(xiàn)進(jìn)行比較，點(diǎn)陣的卸載曲線(xiàn)分布較集中。卸載階段為完全彈性曲線(xiàn)，焊接熱影響區(qū)域的彈性性能受殘余應(yīng)力的影響不大。卸載階段常用于測(cè)試材料的彈性性能，數(shù)值方法可以證明若接觸面積能夠準(zhǔn)確測(cè)量，所測(cè)得的楊氏模量不受殘余應(yīng)力的影響[9]。

圖3 玻式壓頭的納米壓痕在框形區(qū)域點(diǎn)陣的加載力-位移曲線(xiàn)

圖4 為焊接接口點(diǎn)陣的硬度分布，硬度值大概分布在0.9～1.34GPa，硬度分布不是均勻的，但靠近焊縫中心處的硬度相比其他位置要大。圖5為焊接接口點(diǎn)陣的彈性模量分布，彈性模量大概分布在70～80GPa，相比硬度的分布要均勻些，這是因?yàn)闇y(cè)試彈性模量是利用卸載曲線(xiàn)，殘余應(yīng)力不影響彈性模量的測(cè)試。但在利用Oliver Pharr方法測(cè)試彈性模量過(guò)程中會(huì)受到表面平整度（粗糙度、傾斜度等）都會(huì)影響測(cè)試。

圖4 焊接接口點(diǎn)陣的硬度分布

圖5 彈性模量分布

圖6 為納米壓痕球形壓頭下載荷-位移曲線(xiàn)在焊接試樣焊縫區(qū)和基體區(qū)的力學(xué)響應(yīng)，在相同的位移載荷下，基體區(qū)對(duì)應(yīng)的載荷力要比焊縫區(qū)的載荷力大。

圖6 球形壓頭納米壓痕實(shí)驗(yàn)：基體區(qū)與焊縫區(qū)的不同載荷-位移響應(yīng)

利用Kalidindi模型可以將載荷位移曲線(xiàn)和連續(xù)剛度轉(zhuǎn)換為材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。圖7為壓痕法得到基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，不同于傳統(tǒng)的拉伸曲線(xiàn)，通過(guò)壓痕法得到了應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)分為：彈性階段、彈塑性過(guò)渡階段和完全塑形階段，各階段如圖所示。在彈性階段，材料的力學(xué)響應(yīng)滿(mǎn)足Hertz接觸彈性理論，這個(gè)階段的斜率與Oliver-Pharr方法測(cè)得的彈性模量基本一致，約為70GPa；隨著壓痕位移的增加，壓頭周?chē)牟牧下氏冗M(jìn)入塑性階段并被彈性材料包圍；當(dāng)壓痕位移壓入一定深度時(shí)，壓頭周?chē)牧系乃苄孕Чh(yuǎn)大于其彈性效果，材料進(jìn)行完全塑性。在彈塑性過(guò)渡階段影響區(qū)域較短，5083基體材料完全塑性階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)是趨近水平，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為320MPa。與文獻(xiàn)中拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)比[10]，5083鋁合金材料通過(guò)拉伸得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與納米壓痕測(cè)得的結(jié)果基本一致，為鋁合金材料的模型材料模型可以選用完全彈塑性模型。

圖7 球形壓頭納米壓痕測(cè)得基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

圖7 為壓痕法測(cè)得焊縫區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，與基體測(cè)得的曲線(xiàn)類(lèi)型也分為彈性階段、彈塑性過(guò)渡階段和完全塑性階段。在彈性階段測(cè)得彈性模量為70GPa，與基體測(cè)試結(jié)果相同，但在完全塑性階段的應(yīng)力為250MPa左右，比基體的塑性性能要小。通過(guò)納米壓痕測(cè)得焊縫區(qū)的塑性性能與焊絲單獨(dú)拉伸測(cè)得值大致相同。

圖8 球形壓頭納米壓痕測(cè)得焊縫區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

3 結(jié)論

第一，5083鋁合金焊接接頭中晶粒尺寸效應(yīng)與熱影響區(qū)殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)納米壓痕測(cè)試中加載階段的力-位移曲線(xiàn)產(chǎn)生影響，但對(duì)卸載曲線(xiàn)影響不大；第二，焊接接口點(diǎn)陣的彈性模量大概分布在70～80GPa，硬度值大概分布在0.9～1.34GPa，硬度分布不是均勻的；第三，利用球形納米壓痕測(cè)得5083鋁合金焊接接口基體區(qū)與焊縫區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，基體區(qū)域的完全塑性階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)是趨近水平，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為320MPa，焊縫區(qū)的完全塑性階段的應(yīng)力為250MPa。

[1]喬及森，周清林，朱亮，等.鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，（11）：41-44，49，115.

[2]鄭小茂，張大童，張文，等.焊接參數(shù)對(duì)7A04鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2016，37（1）：76-80，132.

[3]杜家政，趙振洋，黃誠(chéng)，等.鋁合金焊接接頭力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2017，（6）：811-817.

[4]楊喜昌，劉佳，張繼彬，等.不同焊接方法對(duì)鋁合金焊縫成形及力學(xué)性能的影響研究[J].應(yīng)用激光，2016，36（5）：553-558.

[5]Oliver W C，Pharr G M. Measurement of Hardness and Elastic Modulus by Instrumented Indentation：Advances in Understanding and Refinements to Methodology[J].Journal of Materials Research，2004，（19）：3-20.

[6]Oliver W C，Pharr G M. An improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments[J].Journal of Materials Research，1992，（7）：1564-1583.

[7]張?zhí)┤A.微/納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)：儀器化壓入的測(cè)量分析應(yīng)用及其標(biāo)準(zhǔn)化[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[8]Patel D K， Kalidindi S R. Correlation of Spherical Nanoindentation Stress-strain Curves to Simple Compression Stress-strain Curves for Elastic-plastic Isotropic Materials Using Finite Element Models[J].Acta Materialia，2016，（112）：295-302.

[9]朱麗娜.基于納米壓痕技術(shù)的涂層殘余應(yīng)力研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013.

[10]高福洋，吳華敏，邱勝聞，等.鋁合金攪拌摩擦對(duì)接焊接頭組織與性能研究[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2015，30（5）：25-30.