焊縫裂紋尖端附近的彈塑性行為研究

納米壓痕儀 NHT3

通過展示儀器化納米壓痕測(cè)試方法獲得低合金鋼焊縫中裂紋尖端附近區(qū)域和遠(yuǎn)離裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變行為。焊縫出現(xiàn)裂紋通常是由焊接過程中焊縫快速凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的，或由內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的發(fā)生改變所引起的，導(dǎo)致硬度和屈服強(qiáng)度增加，但抗斷裂性降低。為了了解局部區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變行為，儀器化納米壓痕法是能夠提供此信息的少數(shù)方法之一，局部應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的目的是幫助理解焊縫開裂的原因。

圖1 ： 靠近或遠(yuǎn)離焊縫裂紋尖端局部區(qū)域的儀器化壓痕測(cè)試

使用Anton-Paar納米壓痕儀NHT³搭載半徑為20 μm球型針尖對(duì)兩個(gè)已經(jīng)存在焊縫裂紋的樣品進(jìn)行測(cè)試，以獲得局部的應(yīng)力應(yīng)變行為；與傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試方法不同的是，在這次的應(yīng)用案例中將采用在加載過程增加正弦波加載方式的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法 (Sinus)，選取最大載荷為500 mN，加載卸載速率為1000 mN/min，動(dòng)態(tài)加載振幅為50 mN，頻率為5 Hz。

圖2和圖3顯示了動(dòng)態(tài)加載測(cè)試下獲得的壓痕曲線，以及從兩個(gè)區(qū)域的壓痕曲線中獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。可以看出裂紋尖端附近區(qū)域的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離裂紋尖端的區(qū)域。屈服強(qiáng)度的增加通常與延展性的降低有關(guān)，這可能對(duì)焊縫的抗斷裂韌性產(chǎn)生至關(guān)重要影響。在外部荷載作用下，靠近裂紋尖端的材料屈服強(qiáng)度增加，往往會(huì)出現(xiàn)比基材更早斷裂的情況，因此在整個(gè)結(jié)構(gòu)中是個(gè)力學(xué)薄弱點(diǎn)。焊縫中的斷裂會(huì)導(dǎo)致整個(gè)部件失效，因此應(yīng)該去調(diào)整焊接參數(shù)，使裂紋尖端附近的材料具有較低的屈服應(yīng)力和較高的抗斷裂性。

焊接鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變行為研究

儀器化納米壓痕測(cè)試方法中應(yīng)力應(yīng)變分析的另一個(gè)經(jīng)典應(yīng)用是研究金屬焊縫周圍的彈塑性，尤其是軟金屬，例如鋁合金。鋁合金比鋼對(duì)高溫更敏感，因此，研究鋁合金的焊接熱效應(yīng)尤為更重要。在本應(yīng)用所提及的研究中，在加載過程中使用正弦波動(dòng)態(tài)加載模式，利用球形納米壓痕針尖的特性對(duì)兩種不同的鋁合金焊縫附近的彈塑性行為進(jìn)行局部表征。球形納米壓痕針尖用于確定靠近焊縫（區(qū)域A）且距離焊縫約2mm（區(qū)域B）的應(yīng)力應(yīng)變特性。

圖4：對(duì)比距離焊縫近的區(qū)域A和距離焊縫2mm處區(qū)域B的應(yīng)力應(yīng)變行為

使用NHT³納米壓痕儀搭載半徑20μm球型針尖作為表征手段，選取的最大載荷為300 mN、加載卸載速率為600 mN/min。在加載過程中采用正弦波的動(dòng)態(tài)加載模式，振幅為30 mN，頻率為5 Hz。圖4展示了區(qū)域A和區(qū)域B的應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較。

兩個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出相類似的彈塑性行為，屈服應(yīng)力約為0.3 GPa。這表明焊接過程中加熱和冷卻對(duì)材料的彈塑性性能的影響可以忽略不計(jì)。然而，并非所有情況下都是如此，焊接區(qū)域的局部應(yīng)力應(yīng)變行為仍然是優(yōu)化焊接參數(shù)的重要信息。

攪拌摩擦焊接鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變研究

攪拌摩擦焊（FSW）通常是鋁合金焊接工藝更好地選擇，而傳統(tǒng)電弧焊由于鋁的高導(dǎo)熱性而容易產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。FSW中的焊接溫度遠(yuǎn)低于中心接觸點(diǎn)，因此熱效應(yīng)的傳導(dǎo)不如弧焊中明顯。在這種情況下，將兩種不同的鋁合金AA6111-T4（T4）和AA6061-T6（T6）焊接在一起，并在距離熔核中心位置的1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm處研究硬度、彈性模量和屈服應(yīng)力。

以下參數(shù)用于壓痕：最大載荷300 mN，加載速率600 mN/min，動(dòng)態(tài)加載模式下選取振幅30 mN，頻率5 Hz。

圖5的結(jié)果表明隨著距熔核距離的增加，所表現(xiàn)出的應(yīng)力應(yīng)變行為大致一樣，僅存在微小差異。在所有的三個(gè)區(qū)域的屈服應(yīng)力大約為0.33 GPa（兩種基材中的屈服應(yīng)力大約為0.27 GPa，圖中未顯示）。母材的硬度為0.8 GPa（T4合金）和1.1 GPa（T6合金）。所有三個(gè)區(qū)域（距焊縫熔核1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm）的硬度均為1.1 GPa，這證實(shí)焊縫附近的彈塑性能并沒有發(fā)生顯著變化。

圖5：距熔核不同位置的應(yīng)力應(yīng)變曲線