2A12鋁合金預(yù)置裂紋脈沖電流處理初探

王立偉， 毛亞寧， 王守勇， 梁志敏， 汪殿龍

(1.河北科技大學(xué), 石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050018)

創(chuàng)新點(diǎn)： (1)采用錘擊法預(yù)制裂紋，與實(shí)際產(chǎn)生的裂紋更為接近。

0 前言

2A12是可熱處理強(qiáng)化的鋁合金[1-2]，經(jīng)固溶處理，自然時(shí)效或人工時(shí)效后具有較高的強(qiáng)度[3]。2A12鋁合金本身的成形和機(jī)械加工性能較為良好，能獲得各種類型的制品，是最廣泛應(yīng)用的鋁合金之一。在鋁合金焊接生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)采用合理的焊接工藝，控制金屬產(chǎn)品中的裂紋[4]。在鋁合金部件生產(chǎn)、使用過程中，對產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)試件中存在的裂紋，使用合適的手段，降低裂紋擴(kuò)展速度，甚至使裂紋停止擴(kuò)展，可以有效延長金屬產(chǎn)品的使用期限。對于某些有較高性能要求的特殊工件，減少鋁合金工件中的裂紋或止裂可以有效提升金屬的性能。相比激光成形修復(fù)、熱愈合等裂紋修復(fù)方法[5-7]，電脈沖止裂法操作簡單，處理時(shí)間短，而且對工件的整體性不會(huì)造成破壞。脈沖放電瞬間，由于裂紋導(dǎo)致的電流繞流集中現(xiàn)象非常明顯，這種效應(yīng)使得裂紋前緣小范圍瞬間集中產(chǎn)熱，足以使材料熔化，鈍化裂紋尖端，減少甚至消除裂紋前緣處的應(yīng)力集中，達(dá)到止裂的目的[8]。甚至在強(qiáng)大的熱壓應(yīng)力的作用下，可以達(dá)到使裂紋愈合的效果。目前由于受脈沖電流設(shè)備功率等條件限制，國內(nèi)外學(xué)者所進(jìn)行的脈沖電流處理研究多是在厚度小于2 mm薄板上面進(jìn)行的[9-11]。

試驗(yàn)對厚度為1 mm的2A12鋁合金提前使用錐形工具預(yù)制裂紋，使用不同電流密度的脈沖電流對其進(jìn)行裂紋修復(fù)處理。經(jīng)過前期試驗(yàn)，將脈沖峰值電流分別確定為295 A，410 A和656 A，電壓為4 V，電流頻率為50 Hz，基值電流為0 A，占空比為0.5。試驗(yàn)完成后觀察鋁合金式樣裂紋愈合情況，對比不同試驗(yàn)參數(shù)下試件硬度的變化趨勢和抗拉強(qiáng)度，分析力學(xué)性能發(fā)生變化的原因，為2000系鋁合金的裂紋修復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用2A12鋁合金，成分見表1。使用線切割制作試件，尺寸為54 mm×20 mm×1 mm，如圖1所示。試件的一側(cè)開V形坡口，將錐形工具固定在V形坡口處，用錘子向其均勻施力，錘擊數(shù)次，預(yù)制出深度一致的裂紋。

表1 2A12鋁合金各成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 2A12鋁合金試件示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

如圖2所示，試驗(yàn)中預(yù)制裂紋試件分為2組，每組為3個(gè)試件。其中，使用如圖2a所示UN1-1型對焊機(jī)對4號、5號和6號、試件6分別通以峰值電流分別為410 A，295 A和656 A的脈沖電流進(jìn)行裂紋修復(fù)，電流頻率皆為50 Hz，基值電流皆為0 A，占空比皆為0.5，另一組試件不作任何處理，試件編號分別為1，2和3。夾持裝置如圖2b所示，使用UN1-1型對焊機(jī)夾持試件時(shí)只使用電極對試件進(jìn)行夾持固定，在垂直于裂紋方向沒有作用力。使用Keller試劑對2組試樣進(jìn)行腐蝕，使用DM28金相顯微鏡觀察裂紋尖端顯微組織及愈合情況；使用THV-1MD自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯硬度計(jì)測量試件硬度的變化趨勢，載荷力為4.9 N，加載時(shí)間為10 s，相鄰2個(gè)硬度采樣點(diǎn)間距0.5 mm；拉伸試驗(yàn)采用CSS-1110電子式拉力試驗(yàn)機(jī)，加載速率1 mm/min。

圖2 UN1-1型對焊機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 金相試驗(yàn)分析

使用UN1-1型對焊機(jī)對4號、5號和6號試件脈沖電流處理前后裂紋尖端處的顯微組織如圖3a～圖3f所示，圖3g為預(yù)制裂紋宏觀圖。脈沖電流處理前，4號試件裂紋尖端顯微組織圖如圖3a所示，經(jīng)過如圖4a所示峰值電流為410 A，電壓為4 V的脈沖電流處理1.5 s后，其微觀組織圖如圖3b所示。由脈沖電流處理前后裂紋尖端顯微組織的對比圖可以看出，脈沖電流處理后，裂紋左右兩端面的面間距減小，呈現(xiàn)出愈合的趨勢。通過測量圖3a中C和D兩點(diǎn)間距在脈沖電流處理前后的變化得出，裂紋延伸區(qū)左右兩端面的面間距從35.84 μm縮小至33.13 μm。在裂紋尖端處和面間距較小的部分區(qū)域，裂紋達(dá)到了完全愈合的效果，通過測量圖3a中A和B兩點(diǎn)之間的距離，裂紋長度從137.85 μm縮短至127.42 μm。在裂紋尖端處和面間距較小的部分區(qū)域，裂紋達(dá)到了完全愈合的效果。對比圖3a和圖3b中E和F兩個(gè)區(qū)域可以觀察到試件在裂紋尖端和延伸區(qū)面間距較小的區(qū)域出現(xiàn)部分熔化現(xiàn)象。試件5脈沖電流處理參數(shù)為峰值電流295 A，通電時(shí)間1.5 s，電壓4 V，波形圖如圖4b所示。其脈沖電流處理前的顯微組織圖如圖3c所示，脈沖電流處理后的顯微組織如圖3d所示。由于該裂紋左右兩端面的面間距較小，經(jīng)脈沖電流處理后裂紋尖端部分區(qū)域達(dá)到愈合狀態(tài)。試件6脈沖電流處理參數(shù)為如圖4c所示，峰值電流656 A，通電時(shí)間2.25 s，電壓2 V。其脈沖電流處理前的顯微組織圖如圖3e所示，脈沖電流處理后的顯微組織如圖3f所示，該預(yù)制裂紋兩端面間距較小，經(jīng)過脈沖電流處理后裂紋雖然未出現(xiàn)完全愈合區(qū)域，但裂紋整體面間距減小，左右兩端面間距平均減小4.16 μm。2A12鋁合金中預(yù)制裂紋裂紋經(jīng)過不同參數(shù)脈沖電流處理后均得到不同程度的愈合，在裂紋尖端區(qū)域更加明顯。在脈沖電流處理后試件宏觀未發(fā)生明顯塑性變形。隨著脈沖峰值電流和處理時(shí)間增加，裂紋兩側(cè)面間距減小幅度增大。當(dāng)峰值電流過大或處理時(shí)間過長時(shí)，裂紋愈合效果反而減弱。這是由于試件處理過程中在裂紋尖端產(chǎn)生繞流集中效應(yīng)，溫度瞬間升高，試件在快速加熱時(shí)，其膨脹過程與其升溫不同步，金屬的膨脹速度落后于溫度提升速度，金屬中產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力對裂紋的愈合程度大于撕裂效應(yīng)，其結(jié)果表現(xiàn)為愈合。當(dāng)溫度降低較快時(shí)，撕裂效應(yīng)增加，愈合效果變差[12]。

圖3 2A12鋁合金裂紋尖端顯微組織

圖4 脈沖電流波形示意圖

2.2 硬度試驗(yàn)分析

3個(gè)未脈沖電流處理試件硬度如圖5a所示，其中1號試件和3號試件隨距裂紋尖端距離的增加首先呈現(xiàn)上升趨勢，1號試件1硬度由149 HV上升到160 HV，3號試件硬度由158 HV上升到161 HV，2號試件隨著距離增加首先呈現(xiàn)下降趨勢，硬度由132 HV下降到122 HV。之后1號試件和3號試件隨距裂紋尖端距離增加呈現(xiàn)下降趨勢，硬度分別下降到151 HV和159 HV，2號試件隨著距離增加硬度上升到143 HV。隨距離繼續(xù)增加，3個(gè)試件均呈現(xiàn)下降趨勢，其中2號試件和3號試件硬度降到130 HV左右，1號試件硬度達(dá)到140 HV左右。之后3個(gè)試件均呈現(xiàn)上升趨勢，最終試件，1號、2號和3號試件的硬度分別穩(wěn)定在145 HV，142 HV和150 HV左右。硬度的變化是因?yàn)樵嚰谠囼?yàn)前經(jīng)過多次加工，并且在預(yù)制裂紋時(shí)金屬局部發(fā)生形變，試件在裂紋處堆積了大量位錯(cuò)。堆積的位錯(cuò)強(qiáng)化金屬，使其強(qiáng)度與硬度提高，但塑性和韌性有所下降[13]。試件隨著距裂紋尖端距離的增加，硬度出現(xiàn)下降趨勢。由于裂紋為人工預(yù)制，故裂紋尖端存在細(xì)小裂紋，造成了裂紋尖端處硬度減小。

脈沖電流處理后裂紋尖端硬度值如圖5b所示。經(jīng)電脈沖處理后的3個(gè)試件裂紋尖端區(qū)域硬度值均下降到75 HV左右。原因是UN1-1型對焊機(jī)對試件電脈沖處理時(shí)在裂紋尖端產(chǎn)生繞流集中效應(yīng)，溫度瞬間升高，達(dá)到了鋁合金熔點(diǎn)，裂紋尖端熔化。冷卻過程中裂紋尖端附近的金屬還沒有補(bǔ)充到裂紋尖端已經(jīng)熔化的區(qū)域，試件就已經(jīng)冷卻至固態(tài)。之后隨著距裂紋尖端距離的增加，4號試件硬度從129 HV大幅下降到103 HV，5號試件硬度從125 HV小幅下降到122 HV，6號試件硬度從120 HV小幅上升到124 HV。之后隨著距離裂紋尖端距離的增加，4號試件和5號試件硬度值呈現(xiàn)波浪形趨勢，最終2個(gè)試件硬度值穩(wěn)定在125 HV左右。6號試件同樣呈現(xiàn)波浪形變化，最終硬度值穩(wěn)定在120 HV左右。

脈沖電流處理前后裂紋尖端硬度值如圖5c所示。脈沖電流處理前裂紋尖端硬度值可以達(dá)到145 HV，脈沖電流處理后裂紋尖端硬度值只有75 HV。之后隨著距離裂紋尖端距離增加，脈沖電流處理后試件硬度值下降了5 HV，脈沖電流處理前試件上升了5 HV。之后隨著距離裂紋尖端距離的增加，脈沖電流處理后的試件硬度值趨于125 HV左右。脈沖電流處理前試件的裂紋尖端處硬度值隨著距離的增加呈現(xiàn)下降，最低硬度值下降到130 HV，之后呈現(xiàn)上升趨勢。從圖5c中可以看得出來，試件脈沖電流處理前硬度值始終大于試件脈沖電流處理后硬度值。原因是在未熔化區(qū)域脈沖電流在試件中產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)所帶來的溫度提升使試件金屬發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，內(nèi)應(yīng)力消除，試件硬度降低[14]。

圖5 2A12鋁合金裂紋尖端區(qū)域硬度分布曲線

2.3 拉伸試驗(yàn)分析

該試驗(yàn)試件為非標(biāo)準(zhǔn)件，GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》中并未涉及到該試件的拉伸試樣，故選擇直接將試件裝卡在夾具上，設(shè)置拉伸速度為1 mm/min進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，裂紋修復(fù)前1號2號和3號試件的抗拉強(qiáng)度分別為259.7 MPa，265.9 MPa和293.5 MPa，平均抗拉強(qiáng)度是273 MPa，斷裂位置均為裂紋尖端。裂紋修復(fù)后，4號、5號和6號試件抗拉強(qiáng)度分別為262.4 MPa，285.4 MPa和297.4 MPa，平均抗拉強(qiáng)度是281.7 MPa。斷裂位置均為裂紋尖端。經(jīng)過脈沖電流修復(fù)裂紋后的試件在抗拉強(qiáng)度比未脈沖電流修復(fù)裂紋的試件提高8.7 MPa。

圖6 不同試驗(yàn)條件下試件抗拉強(qiáng)度

高密度的脈沖電流對金屬塑性的影響目前可被認(rèn)為電阻熱和電子風(fēng)力的影響，使用適當(dāng)電流密度的電脈沖處理時(shí)，金屬試件存在定向運(yùn)動(dòng)的自由電子給金屬中的位錯(cuò)提供能量，帶動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)[15]。位錯(cuò)在電子推動(dòng)下比平時(shí)更容易移動(dòng)，這是由于位錯(cuò)的釘扎作用被電子風(fēng)力減弱，故材料的塑性得以改善。

3 結(jié)論

(1)使用UN1-1型對焊機(jī)對2A12鋁合金進(jìn)行脈沖電流修復(fù)預(yù)置裂紋，裂紋間隙縮小，驗(yàn)證了脈沖電流修復(fù)2A12鋁合金裂紋的可行性。

(2)脈沖電流處理后裂紋尖端區(qū)域的晶粒得到細(xì)化，電流繞流集中效應(yīng)在裂紋尖端處產(chǎn)生焦耳熱，由于熱作用區(qū)域較小，該區(qū)域冷卻速度較快，使得晶粒得到細(xì)化。

(3)未經(jīng)過脈沖電流處理的試件硬度最終趨近于130 HV，經(jīng)過脈沖電流處理后試件最終硬度值趨于125 HV。脈沖電流在裂紋尖端區(qū)域產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)所帶來的溫度提升使試件發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，內(nèi)應(yīng)力消除，試件硬度降低。

(4)裂紋修復(fù)前試件平均抗拉強(qiáng)度為273 MPa，裂紋修復(fù)后平均抗拉強(qiáng)度為281.7 MPa，經(jīng)過脈沖電流處理后試件的抗拉強(qiáng)度有所提高。這是由于金屬內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的能量在高密度脈沖電流作用下得到提高，加速了位錯(cuò)移動(dòng)，宏觀上提高了金屬的塑性，提高了抗拉強(qiáng)度。