AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕疲勞裂紋擴展行為

蘆麗莉, 李婷, 朱忠尹

(1.中國核動力研究設計院,成都 610000;2.西南交通大學,成都 610031)

0 前言

鎂合金作為輕量化材料，在高速列車車鉤等關鍵部件已經得到了廣泛的使用。但由于鎂合金自身化學性質活潑，在外加應力和潮濕環境中的Cl-，H2O等腐蝕環境的共同影響之下，在實際服役條件下，鎂合金及其焊接結構件往往承受持續穩定載荷、交變循環載荷及腐蝕介質環境等因素的影響，其中疲勞斷裂引起的損傷占整個失效形式的80%以上[1-2]。因此，通過研究鎂合金及其接頭的耐腐蝕性能和腐蝕裂紋擴展行為，對其裂紋機理和規律進行分析，對實際工程應用具有重要價值。

在分析前期研究的基礎上，以AZ31鎂合金為研究對象，采用高速列車成熟的攪拌摩擦焊接工藝，得到成形良好的接頭。分別在空氣環境和質量分數為1%的NaCl的溶液中進行腐蝕疲勞試驗，對比分析接頭各區域的腐蝕疲勞裂紋擴展行為，探究其腐蝕疲勞裂紋擴展機理。

1 試驗方法

試驗所用材料為商用AZ31鎂合金軋制板材，尺寸為300 mm×150 mm×8 mm，長度方向為軋制方向。沿軋制方向抗拉強度達260～290 MPa，斷后伸長率為3%～15%。母材化學成分見表1。AZ31鎂合金微觀組織如圖1所示，圖1a展示了粗大晶粒沿著軋制方向延伸，其中夾雜著回復再結晶小晶粒。如圖1b所示，鎂合金基體上分布著Mg-Al第二相[3-4]，其大多沿著晶界分布。焊接設備為龍門式二維攪拌摩擦焊設備，攪拌頭型號為AEE/PA.8MM/002/014，由軸肩和攪拌針組成，攪拌針長度為7.8～8.0 mm[5]，焊接工藝參數見表2。

表2 AZ31鎂合金FSW參數

圖1 AZ31鎂合金金相組織

表1 AZ31鎂合金母材成分(質量分數，%)

AZ31鎂合金及其攪拌摩擦焊接頭各區域的腐蝕疲勞裂紋擴展試驗采用改進的SENT試樣，試樣尺寸及取樣位置如圖2所示。

圖2 試樣尺寸及取樣位置

在AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的母材、熱影響區、前進側熱力影響區、焊核、后退側熱力影響區分別取樣測試，每個部位3個平行樣。試樣增加固定在缺口附近的塑料水槽以盛裝1%NaCl溶液(質量分數),以模擬腐蝕介質環境。試驗在立式疲勞機上進行，應力比R=0.3,最大力2kN，頻率f=0.5Hz，正弦波加

(1)

式中：α=a/W；a為裂紋長度；W為試樣寬度；B為試樣厚度；ΔP為載荷幅值。

2 試驗結果及討論

2.1 腐蝕疲勞宏觀裂紋

圖3給出了AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭各區域的腐蝕疲勞宏觀裂紋，每個區域都觀察到腐蝕疲勞裂紋擴展的情況，且隨著裂紋擴展，裂紋尺寸越來越細小，裂紋尖端出現不同程度的裂紋分叉情況。母材區域(圖3a)和熱影響區(圖3b)的裂紋比較曲折，前進側熱力影響區(圖3c)、焊核區(圖3d)、后退側熱力影響區(圖3e)的裂紋比較平滑。

圖3 接頭各區域腐蝕疲勞裂紋宏觀形貌

2.2 腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖4為AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭在空氣中的疲勞裂紋的擴展速率曲線(da/dN-ΔK關系曲線)，可以看出在裂紋擴展起始階段，母材區域門檻值最低，裂紋最容易擴展，而在裂紋穩定擴展區域，焊核區域的裂紋擴展速率最快，前進側熱力影響區的裂紋擴展速率最慢。為更加直觀地描述各區域疲勞裂紋擴展的規律，將各區曲線的穩定擴展區擬合成Paris公式(2)，結果見表3。

表3 Paris公式擬合結果

圖4 接頭各區域在不同腐蝕環境下疲勞裂紋擴展速率曲線

(2)

式中：a為裂紋長度；N為應力循環次數；C，m是和材料有關的常數；ΔK是應力強度因子變化范圍。

2.3 腐蝕疲勞裂紋擴展斷口形貌

圖5給出了母材區域腐蝕疲勞裂紋擴展斷口的宏觀形貌。如圖5a所示，斷口由預制裂紋區、裂紋擴展區、瞬斷區組成，將擴展區放大如圖5b所示，斷口上具有棱狀凸起和河流花樣形貌。

圖5 母材腐蝕疲勞裂紋斷口宏觀形貌

將斷口置于掃描電鏡下觀察，如圖6a所示，斷口存在許多彼此平行的解理臺階、解理平面和撕裂狀形貌。斷口中發現垂直于裂紋擴展方向的疲勞輝紋，如圖6b所示，彼此平行且間距相等，由于腐蝕的原因而模糊不清。疲勞輝紋是材料受到循環載荷作用的顯著特征。圖6c中觀察到沿著裂紋擴展的方向，存在均勻分布的二次裂紋，這與材料在腐蝕介質中變脆和鎂合金的特殊織構有關。圖6d呈現了垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋，裂紋周圍存在規律分布的相互平行又間距相等的滑移帶，二次裂紋沿著滑移帶開裂。

圖6 裂紋擴展區微觀形貌

2.4 腐蝕疲勞裂紋擴展路徑分析

圖7給出了AZ31鎂合金接頭各區域空氣環境裂紋擴展路徑圖，如圖7a所示，母材區域的疲勞裂紋擴展路徑比較平直，越靠近末端裂紋愈加細小，裂紋中未發現明顯裂紋分叉。將裂紋尖端放大如圖7a中Ⅰ所示，發現裂紋是明顯的穿晶擴展，裂紋貫穿母材的粗大晶粒，部分晶粒中存在流線型的原始微觀組織[6]。如圖 7b所示，熱影響區的疲勞裂紋擴展路徑比較平直，裂紋整體向上有所偏離，裂紋末端細小，未發現明顯裂紋分叉，這可能是由于材料并未受到腐蝕介質的作用，因此宏觀上未發現氫脆現象。將裂紋尖端放大如圖7b中Ⅱ所示，發現裂紋是明顯的穿晶擴展，裂紋貫穿熱影響區的粗大晶粒，部分晶粒中存在流線型的原始微觀組織。在進行攪拌摩擦焊時，熱影響區并未受到機械攪拌的作用，僅僅受到焊接熱循環作用，導致其組織與母材相近。如圖 7c所示，焊核區越靠近裂紋尾部尺寸越加細小，未發現明顯宏觀裂紋分叉，這是由于材料并未受到腐蝕介質的作用的原因。將裂紋尖端放大如圖7c中Ⅲ所示，發現焊核區域晶粒是均勻細小的等軸晶，裂紋附近晶粒均勻細小，存在大小各異的第二相顆粒，裂紋主要是以穿晶形式進行擴展，裂紋路徑出現分叉和彎折現象。

圖7 接頭各區域空氣環境裂紋擴展路徑

圖8給出了AZ31鎂合金接頭各區域在質量分數為1% NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展路徑圖。如圖8a所示，相比于空氣中的裂紋路徑(圖7)，腐蝕環境中的裂紋擴展路徑出現多處彎折和裂紋分叉現象，裂紋中部發現裂紋“閉環”狀和裂紋“跳躍”形貌，裂紋尾部細小。裂紋末端發現主裂紋附近伴隨著同方向擴展的微裂紋，這是由于氫脆現象所致。裂紋分叉是氫脆現象和陽極溶解2種機理在裂紋形態上的區別，連續的裂紋分支形貌往往是陽極溶解所致[7]。從裂紋形貌判斷，母材的腐蝕疲勞裂紋擴展同時具有氫脆和陽極溶解2種現象。將裂紋尾部放大如圖8中 Ⅰ 所示，裂紋彎折呈“Z”字形，主要是穿晶擴展，裂紋貫穿母材的粗大晶粒，發現相互平行的裂紋“跳躍”現象，由于在氫脆現象的作用下，裂紋沿著該處的“軟取向”組織開裂所致。在母材粗大的晶粒中發現方向不一的相互平行和重疊的流線，在外加應力作用下塑性變形導致的滑移線。圖8b所示，相比于空氣中裂紋路徑(圖7)，腐蝕環境中的裂紋擴展路徑出現多處彎折，裂紋中部發現裂紋“閉環”狀和裂紋“跳躍”形貌，裂紋尾部細小，未見明顯宏觀分叉。將裂紋路徑放大如圖8b中 Ⅱ 所示，裂紋以穿晶的形式擴展，兩個裂紋環狀形貌連接形成鏈狀形貌，粗大的第二相集中分布在晶界。在裂紋路徑中發現孔洞狀形貌，這是由于第二相或者晶粒在此腐蝕脫落形成的[8]。如圖8c所示，相比于空氣中裂紋路徑(圖7)，腐蝕環境中的裂紋擴展路徑比較曲折，裂紋中部發現裂紋“閉環”和分叉形貌，裂紋尾部細小，出現裂紋“跳躍”情況。將裂紋路徑放大如圖8c中Ⅲ所示，裂紋以穿晶的形式擴展，在裂紋路徑中發現球形形貌，兩側裂紋壁中間夾雜著腐蝕掉的材料。裂紋路徑周圍第二相分布與裂紋路徑形成連線。裂紋有較多分叉和彎折現象。

圖8 接頭各區域腐蝕環境裂紋擴展路徑

為進一步分析腐蝕疲勞裂紋擴展路徑和裂紋尖端微觀組織變化，將裂紋尖端置于掃描電鏡下進行EBSD觀察，結果如圖9所示。圖9a的IPF圖可以判斷裂紋與晶粒的關系，裂紋主要是穿晶擴展，遇到細小的晶粒時存在少量沿晶擴展現象。裂紋在藍色塊的大晶粒內部擴展時，出現了裂紋彎折和“跳躍”情況，裂紋附近伴隨著細小的晶粒。圖9b的IPF圖可以判斷裂紋主要是穿晶擴展形式，遇到細小的晶粒時存在少量沿晶擴展，并且在細小晶粒處，裂紋往往出現彎折現象。圖9c的IPF圖可以判斷裂紋主要是穿晶擴展，遇到細小的晶粒時存在少量沿晶擴展，裂紋尖端附近晶粒取向較為一致，這是因為焊核區域在進行攪拌摩擦焊時，在機械攪拌和焊接熱循環作用下，晶粒擇優取向，形成(0001)織構的原因[9]。

圖9 接頭各區域腐蝕疲勞裂紋尖端附近EBSD結果

3 腐蝕機理分析

AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭各區域的腐蝕疲勞裂紋擴展機理主要是裂紋尖端的陽極溶解和氫脆機理。在腐蝕介質中，AZ31鎂合金的α-Mg基體上的β-Mg17Al12第二相顆粒往往作為陰極，基體作為陽極，在電化學反應過程中基體金屬被腐蝕形成腐蝕產物，裂紋在基體溶解過程中擴展。而陰極的析氫腐蝕導致氫附著在基體上并擴散進材料內部，導致氫脆現象的發生。根據斷裂力學理論，裂紋附近處于平面應變狀態，氫往往在裂紋尖端等應力集中區域擴散，材料中存在氫陷阱如第二相顆粒、孔洞等，氫往往在這些地方富集導致裂紋萌生并擴展，引發裂紋“跳躍”現象，而在裂紋路徑中觀察到的圓球狀花樣、孔洞花樣也是這樣形成的[10-12]。

4 結論

(1)AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭各區域隨著裂紋擴展，裂紋尺寸越來越細小，裂紋尖端出現不同程度的裂紋分叉情況。母材區域和熱影響區的裂紋比較曲折，焊核區的裂紋比較平滑，將其裂紋尾部放大發現熱影響區和焊核區域裂紋尾部宏觀分叉較少。

(2)接頭各區域在空氣環境下，在裂紋擴展起始階段，母材區域門檻值最低，裂紋最容易擴展，而在裂紋穩定擴展區域，焊核區域的裂紋擴展速率最快。在腐蝕疲勞環境下，母材區域的門檻值最小，最容易發生擴展行為。

(3)接頭各區域在質量分數為1%的NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展門檻值和強度均低于在空氣環境中的情況，而裂紋擴展速度高于在空氣環境中的裂紋擴展速度，證明質量分數為1%的NaCl溶液腐蝕介質對材料產生了損傷，減弱其疲勞性能。

(4)接頭各區域在質量分數為1%的NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展路徑和裂紋形貌可以看出，腐蝕環境中的裂紋擴展路徑出現多處彎折和裂紋分叉現象，裂紋中部發現裂紋“閉環”狀和裂紋“跳躍”形貌，裂紋尾部細小。裂紋末端發現主裂紋附近伴隨著同方向擴展的微裂紋，這是由于氫脆現象所致。連續的裂紋分支形貌往往是陽極溶解所致。