當(dāng)今鋁合金焊接接頭低溫斷裂韌性研究

普桑達(dá)儀器科技生產(chǎn)：拉力機(jī) 材料試驗機(jī) ，鹽霧試驗箱，鹽霧箱，拉力試驗機(jī)，等試驗設(shè)備，：，，67651048，

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對超低溫材料的需求日益迫切。如運(yùn)載火箭液化器容器、液化冷凍機(jī)、研究用低溫恒溫器等，伴隨而來的是對超低溫用材料要求也越來越嚴(yán)格[1]。在各種材料中，高強(qiáng)鋁合金材料具有密度低、無磁性、低溫下合金相穩(wěn)定、在磁場中比電阻小、氣密性好、感應(yīng)放射能衰減快等特性，因而作為一種重要的低溫材料被研究和應(yīng)用[2,3]。
宇航材料中，要求結(jié)構(gòu)非常緊湊，既沒有寄生重量，又要保證安全可靠，傳統(tǒng)力學(xué)強(qiáng)度和韌性指標(biāo)要求已很難滿足要求，基于斷裂力學(xué)的可靠性評定技術(shù)逐漸成為結(jié)構(gòu)評定的發(fā)展趨勢。但是由于低溫實驗條件和技術(shù)的限制，關(guān)于鋁合金低溫性能評定標(biāo)準(zhǔn)還也不完善，所以高強(qiáng)度鋁合金材料低溫性能的研究和與可靠性評價技術(shù)與低溫材料的實際應(yīng)用很不相稱，材料低溫斷裂性能的研究更少。
焊接是高性能鋁合金結(jié)構(gòu)的重要加工手段。焊接接頭又是一個存在著力學(xué)和幾何不均勻性的結(jié)構(gòu)體，裂紋等缺陷容易出現(xiàn)在其焊縫、熔合線和熱影響區(qū)三個不同位置。焊接接頭作為整個焊接結(jié)構(gòu)中薄弱環(huán)節(jié)，對其低溫性能的要求更是關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要指標(biāo)。本文重點對鋁合金母材和焊接接頭的低溫斷裂性能方面的研究工作進(jìn)行了綜述和分析，并針對2219鋁合金的斷裂韌性作出了評定方案。
1. 斷裂力學(xué)理論
1.1斷裂力學(xué)判據(jù)
隨著近年來斷裂力學(xué)的進(jìn)展，在評價結(jié)構(gòu)使用性能時，zui適當(dāng)?shù)牧慷纫炎優(yōu)閿嗔秧g性。在斷裂力學(xué)上把材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力稱為斷裂韌性。在實際工程應(yīng)用中我們采用那個斷裂力學(xué)破壞判據(jù)？如何應(yīng)用斷裂力學(xué)指導(dǎo)選材與測定斷裂韌性？這些是必須要首先解決的問題。目前斷裂力學(xué)斷裂判據(jù)較多，其特點、出發(fā)點各有不同。如線彈性斷裂力學(xué)（KIC）可以認(rèn)為是應(yīng)力判據(jù)，裂紋張開位移（COD）可認(rèn)為是位移判據(jù)，J積分可認(rèn)為是能量判據(jù)，塑性區(qū)的尺寸ρ可認(rèn)為是應(yīng)變判據(jù)等。
這些判據(jù)在評定結(jié)構(gòu)件有那些問題？采用哪個比較適宜？為此必須了解這些判據(jù)的特點、約束條件、優(yōu)點及不利的地方。線彈性斷裂力學(xué)適用于平面應(yīng)變或小范圍屈服條件下；對于大范圍屈服采用  ，  ，  判據(jù)，對于全面屈服狀態(tài)下的  不再成立，只有用  和  ；但是  理論尚不夠完善，J積分方法是彈塑性斷裂力學(xué)中很有前途的方法[4]。
1.2斷裂韌性試驗方法
現(xiàn)就斷裂韌性試驗中采用小形試樣的試驗做些介紹。
（1）平面應(yīng)變斷裂韌性試驗（KIC試驗）
它是一種靜態(tài)彎曲試驗，用特殊的夾式應(yīng)變計求出缺口部位變位，再按與載荷的關(guān)系求KIC值。但此方法，裂紋的側(cè)向收縮必須是平面應(yīng)變狀態(tài)。為滿足該條件，存在著要比產(chǎn)品使用溫度相差較大的低溫下進(jìn)行試驗，或是必須采用極大尺寸的試樣等問題。此方法采用的試樣有三點彎曲試樣，緊湊拉伸式樣，拱形三點彎曲試樣。平面應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)斷裂韌性的測試方法是所有斷裂韌性測試方法中度zui高、數(shù)據(jù)資料zui齊全的。但試樣尺寸大，試驗周期長，費(fèi)用高。
（2）COD試驗
它是Cottrell和Wells所，不受平面應(yīng)變狀態(tài)限制。目前COD的判據(jù)已廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)抗開裂性能評定中。該方法的試樣形狀和加載方式雖與KIC試驗的情況相似，但由于把試樣寬度取為被試驗材料的厚度，以及用于斷裂韌性計算的載荷值（PQ）的定義沒引入等，使試驗變得很容易。而且只有把試驗后呈脆性的斷面看作是有效的，由斷裂發(fā)生時的夾式應(yīng)變計的變位（Vc）經(jīng)計算就能求得COD的換算值。
（3）JIC試驗
與英國COD試驗相對應(yīng)的是美國提出JIC試驗。自從J.R Rice提出了J積分后，J積分在斷裂力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。Begley和Landes根據(jù)實驗，zui早提出J積分?jǐn)嗔褱?zhǔn)則，而EPRI（美國電力研究院）進(jìn)一步指出J積分值工程計算方法和評定判據(jù)。利用J積分，可以大大減小測試試樣的厚度。
1.3 斷裂力學(xué)實驗標(biāo)準(zhǔn)
KIC的測試過去一直沿用美國ASTM E399－72的標(biāo)準(zhǔn)，我國1979年制定了冶標(biāo)YB947-78“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的試驗方法”的標(biāo)準(zhǔn)，并在國內(nèi)廣泛試行。1984年我國制定了等效于美國的同類標(biāo)準(zhǔn)，即GB4161-84“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC試驗方法”。
英國機(jī)械工程工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)會議在1972年頒發(fā)了DD19裂紋張開位移（COD）試驗方案草案。我國80年也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 2358-80“裂紋張開位移（COD）試驗方法”。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還有美國ASTM E1290 -02e1。我國JB/T4291-86中，制定了焊接接頭裂紋張開位移（COD）試驗方法。
對于JIC的測試，我國有標(biāo)準(zhǔn)GB/T2038-91“金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗方法”。美國ASTM E 813-1989“JIC斷破裂韌性的試驗方法”，后經(jīng)過補(bǔ)充和完善，版本為ASTM E1820-2006e1。
隨著斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和應(yīng)用，不少國家均都制定頒布了斷裂力學(xué)參量KIC，COD，JIC的測試標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化組織也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 12135-2002 “金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性測定的統(tǒng)一試驗方法”。近幾年，英國焊接研究所提出了BS7448標(biāo)準(zhǔn)，即“測定金屬材料KIC、極限COD和極限J積分值方法[5]”，該標(biāo)準(zhǔn)把KIC、COD和JIC三個斷裂力學(xué)參量的測試統(tǒng)一起來，受到了焊接學(xué)會的重視，并予以推廣應(yīng)用?，F(xiàn)已被標(biāo)準(zhǔn)局采納，編號為ISO/TC164/SC4-N400[6]。
這些關(guān)系只有在線彈性條件下，  等于能量釋放率  時才嚴(yán)格成立。在這個區(qū)域，對式樣尺寸有適當(dāng)?shù)南拗?，?nbsp; （平面應(yīng)變狀態(tài)）表達(dá)比較合適。前面的試驗KIC，COD，JIC除在靜態(tài)載荷外，也在動態(tài)載進(jìn)行。這些試驗稱為動態(tài)斷裂韌性試驗，但試驗裝置較復(fù)雜。除此之外，還有很多其他試驗方法，如類似卻貝試驗的Lzod試驗和施奈特試驗等，但很少被使用。另外，還有曾流行一時的卡亨、蒂普爾、范德文、柯馬勒及利海等試驗方法
2. 斷裂韌性研究現(xiàn)狀
許多鋁合金是在低溫下工作的，因此必須知道它們在低溫下的斷裂韌性。表一為俄羅斯某機(jī)構(gòu)對2024和2124合金的斷裂韌性的測試數(shù)據(jù)[8
此項試驗為了弄清KIC隨溫度降低的真實變化情況，對每一種合金狀態(tài)取2~3個試樣，通過對一個試樣進(jìn)行多次測量斷裂韌性的方法試驗兩次。首先測定室溫下的KIC至斷裂前，在試樣中重新制造疲勞裂紋，然后在-196℃的液氮中進(jìn)行試驗。
由表所示結(jié)果可以看出，與半成品的種類和壓力加工方法（截面為65×200和12×75mm的擠壓帶材，35mm的厚板）、合金的純度（雜質(zhì)Fe、Si分別<0.01）、熱處理方式（人工和自然時效）、取樣的方向（縱向、寬向和高向）以及淬火后時效前的拉伸矯直（T851）無關(guān)，KIC值隨溫度的降低而增加。
常用鋁合金結(jié)構(gòu)材料的斷裂韌性KIC一般可以由手冊中查出（一般是常溫下），而對于焊縫中心、熱影響區(qū)和熔合線區(qū)材料的KIC則須通過實驗測定。文獻(xiàn)[9]對貯箱板材LD10鋁合金及其焊件的斷裂韌度JIC進(jìn)行了試驗和研究。由于所測鋁合金板材厚度為13mm，由于板材較薄不滿足平面應(yīng)變狀態(tài)，所以采用J積分法測定了JIC。作者采用三點彎曲試樣,裂紋由線切割而成,分別開在母材、焊縫及熱影響區(qū)。裂紋在焊縫和熱影響區(qū)的位置參考BS7448: 1997-PartⅡ。實驗過程按GB/T 2038-1991在進(jìn)行。加載完再卸載后將試樣壓斷，根據(jù)載荷位移曲線計算裂紋擴(kuò)展量△a和斷裂韌度  ，再根據(jù)經(jīng)驗公式J=C1ΔaC2擬合，Δa=0.20mm偏置線的交點就是所要測定的JIC。zui后做JIC的有效性判斷。結(jié)果表明） LD10鋁合金熱影響區(qū)的試樣裂紋頂端發(fā)生了大范圍的鈍化,抗撕裂能力*,斷裂韌度JIC是母材的1.7倍，這是因為焊接中熱的影響，使材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。LD10鋁合金焊縫的斷裂韌度比母材要低，焊縫中存在雜質(zhì)和氣孔等缺陷。
文獻(xiàn)[10] 針對推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)中的未穿透裂紋，利用斷裂理學(xué)理論求出裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子KI，然后對焊接試樣分別選擇焊縫中心、熔合線及熱影響區(qū)三種典型位置預(yù)制表面裂紋，求出KIC，比較大小。
文獻(xiàn)[11]采用表面裂紋法，利用自行研制的低溫多試樣拉伸裝置，研究了航天鋁合金材料的焊縫在低溫（20K）的斷裂性能。該試樣是在焊縫表面開一個橢圓形缺口，通過控制疲勞過程，得到合適的表面裂紋。然后再經(jīng)過加載、控溫、采集等幾部分。zui后得到的是試件伸長量與應(yīng)力的關(guān)系曲線，而不能直接得到裂紋張開位移與應(yīng)力的關(guān)系曲線。
文獻(xiàn)[12]分析了高組配和低組配的焊接接頭與全母材和全焊縫的斷裂韌性。通過J積分測試結(jié)果表明對于9Cr-1Mo，2-1/4Cr-1Mo和BX52為母材的低組配焊接接頭的J積分參量依照全母材、焊接接頭和全焊縫的次序依次遞減,而高組配則與低組配正好相反，并且焊縫寬度的增加，材料組配焊接接頭的J積分值與其全母材的結(jié)果差別增加,而與全焊縫材料結(jié)果的差別在逐漸減小。
對于焊接接頭斷裂韌性的研究還不夠透徹，尤其是低溫下的性能，有待進(jìn)一步研究。
3．2219鋁合金焊接結(jié)構(gòu)低溫斷裂韌性試驗方案
熱處理強(qiáng)化的2219鋁合金是用于航天產(chǎn)品的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，工作溫度范圍可達(dá)-250℃~+250℃。早在二十世紀(jì)六十年代，美國就開始研究使用2219鋁合金作為運(yùn)載火箭低溫燃料貯箱。俄羅斯“能源號”運(yùn)載火箭貯箱的結(jié)構(gòu)材料即是與2219鋁合金成分和性能相近的1201鋁合金（俄羅斯鋁合金編號）。在航天領(lǐng)域，可靠性和安全性是zui要的指標(biāo)。只有全面掌握合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)并加以分析，才有安全保障。我國暫時還缺乏全面的關(guān)于2219鋁合金力學(xué)性能的測試數(shù)據(jù)，因此有必要對低溫材料2219鋁合金及其焊接接頭的力學(xué)和斷裂力學(xué)性能進(jìn)行測定。
目前運(yùn)載火箭貯箱擬采用2219鋁合金，焊接方法主要包括熔焊方法和摩擦焊方法，針對不同狀態(tài)的2219鋁合金母材和焊接接頭進(jìn)行斷裂力學(xué)評定。
對于以上測試工作，應(yīng)在材料一定，焊接方法一定的情況下，測定板材和焊接接頭各個溫度的各種力學(xué)性能參數(shù)。對其低溫斷裂韌性評定方案有如下幾步：
（1選擇參考標(biāo)準(zhǔn)
對于斷裂韌性評定標(biāo)準(zhǔn)，我國發(fā)展得還不是很健全。對鋁合金母材，可參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2038-1991“金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗方法”；GB4161-84“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC試驗方法”。對于焊接接頭的測定，我國還沒有制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，更沒有低溫下的斷裂韌性測試標(biāo)準(zhǔn)。英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7448-1997“測定金屬材料KIC、極限COD和極限J積分值方法”對常溫下焊接接頭的斷裂韌性試驗做出了相關(guān)規(guī)定，并且被ISO收錄。
（2）選擇試驗方案
由于擬測試的鋁合金板厚較薄，不符合平面應(yīng)變狀態(tài)條件，所以只能通過J積分方法來測試母材和焊接接頭的JIC。至于其KIC的值，可以參考BS7448標(biāo)準(zhǔn)中JIC和KIC的關(guān)系，計算出KIC。測定母材在低溫下的的JIC，可以參考GB/T 2038-1991，但是此標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)定是適用溫度。對于焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和熔合區(qū)的JIC的測定，國內(nèi)沒有可供參考的標(biāo)準(zhǔn)，參考標(biāo)準(zhǔn)有英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7448-1997，盡管此標(biāo)準(zhǔn)依然是沒有特別指出可以在低溫下應(yīng)用。       數(shù)據(jù)分析方法
測出母材和焊接接頭的斷裂韌性數(shù)據(jù)之后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。我們可以在多試樣試驗結(jié)果中計算得到一個平均值，但是這并不能真正反映鋁合金材料及其焊接接頭的斷裂力學(xué)性能。從數(shù)學(xué)理論上講，只有50%的可靠度。在航空航天領(lǐng)域，對于材料的可靠性要求極為苛刻。50%置信度只能滿足我們對材料的zui基本的認(rèn)識。因此對運(yùn)載火箭貯箱的材料2219鋁合金的斷裂性能分析，我們需要掌握95%，甚至更高98.5%的置信度。因此還需要對數(shù)據(jù)用數(shù)理統(tǒng)計的方法進(jìn)行分析