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當(dāng)今鋁合金焊接接頭低溫?cái)嗔秧g性研究
當(dāng)今鋁合金焊接接頭低溫?cái)嗔秧g性研究
普桑達(dá)儀器科技生產(chǎn)：拉力機(jī) 材料試驗(yàn)機(jī) ，鹽霧試驗(yàn)箱，鹽霧箱，拉力試驗(yàn)機(jī)，等試驗(yàn)設(shè)備，：，，67651048，
隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)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(lái)的是對(duì)超低溫用材料要求也越來(lái)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(wú)磁性、低溫下合金相穩(wěn)定、在磁場(chǎng)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(méi)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(mǎn)足要求，基于斷裂力學(xué)的可靠性評(píng)定技術(shù)逐漸成為結(jié)構(gòu)評(píng)定的發(fā)展趨勢(shì)。但是由于低溫實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)的限制，關(guān)于鋁合金低溫性能評(píng)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(píng)價(jià)技術(shù)與低溫材料的實(shí)際應(yīng)用很不相稱(chēng)，材料低溫?cái)嗔研阅艿难芯扛佟?br />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(gè)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(gè)不同位置。焊接接頭作為整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)中薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其低溫性能的要求更是關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要指標(biāo)。本文重點(diǎn)對(duì)鋁合金母材和焊接接頭的低溫?cái)嗔研阅芊矫娴难芯抗ぷ鬟M(jìn)行了綜述和分析，并針對(duì)2219鋁合金的斷裂韌性作出了評(píng)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(lái)斷裂力學(xué)的進(jìn)展，在評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)使用性能時(shí)，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(chēng)為斷裂韌性。在實(shí)際工程應(yīng)用中我們采用那個(gè)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(cè)定斷裂韌性？這些是必須要首先解決的問(wèn)題。目前斷裂力學(xué)斷裂判據(jù)較多，其特點(diǎn)、出發(fā)點(diǎn)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(kāi)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(píng)定結(jié)構(gòu)件有那些問(wèn)題？采用哪個(gè)比較適宜？為此必須了解這些判據(jù)的特點(diǎn)、約束條件、優(yōu)點(diǎn)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(duì)于大范圍屈服采用 ， ， 判據(jù)，對(duì)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(yàn)方法
現(xiàn)就斷裂韌性試驗(yàn)中采用小形試樣的試驗(yàn)做些介紹。
（1）平面應(yīng)變斷裂韌性試驗(yàn)（KIC試驗(yàn)）
它是一種靜態(tài)彎曲試驗(yàn)，用特殊的夾式應(yīng)變計(jì)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(mǎn)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(yàn)，或是必須采用極大尺寸的試樣等問(wèn)題。此方法采用的試樣有三點(diǎn)彎曲試樣，緊湊拉伸式樣，拱形三點(diǎn)彎曲試樣。平面應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)斷裂韌性的測(cè)試方法是所有斷裂韌性測(cè)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(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。
（2）COD試驗(yàn)
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(kāi)裂性能評(píng)定中。該方法的試樣形狀和加載方式雖與KIC試驗(yàn)的情況相似，但由于把試樣寬度取為被試驗(yàn)材料的厚度，以及用于斷裂韌性計(jì)算的載荷值（PQ）的定義沒(méi)引入等，使試驗(yàn)變得很容易。而且只有把試驗(yàn)后呈脆性的斷面看作是有效的，由斷裂發(fā)生時(shí)的夾式應(yīng)變計(jì)的變位（Vc）經(jīng)計(jì)算就能求得COD的換算值。
（3）JIC試驗(yàn)
與英國(guó)COD試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的是美國(guó)提出JIC試驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)，zui早提出J積分?jǐn)嗔褱?zhǔn)則，而EPRI（美國(guó)電力研究院）進(jìn)一步指出J積分值工程計(jì)算方法和評(píng)定判據(jù)。利用J積分，可以大大減小測(cè)試試樣的厚度。
1.3 斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
KIC的測(cè)試過(guò)去一直沿用美國(guó)ASTM E399－72的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)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(yàn)方法”的標(biāo)準(zhǔn)，并在國(guó)內(nèi)廣泛試行。1984年我國(guó)制定了等效于美國(guó)的同類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即GB4161-84“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC試驗(yàn)方法”。
英國(guó)機(jī)械工程工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議在1972年頒發(fā)了DD19裂紋張開(kāi)位移（COD）試驗(yàn)方案草案。我國(guó)80年也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 2358-80“裂紋張開(kāi)位移（COD）試驗(yàn)方法”。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還有美國(guó)ASTM E1290 -02e1。我國(guó)JB/T4291-86中，制定了焊接接頭裂紋張開(kāi)位移（COD）試驗(yàn)方法。
對(duì)于JIC的測(cè)試，我國(guó)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T2038-91“金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗(yàn)方法”。美國(guó)ASTM E 813-1989“JIC斷破裂韌性的試驗(yàn)方法”，后經(jīng)過(guò)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?lài)?guó)家均都制定頒布了斷裂力學(xué)參量KIC，COD，JIC的測(cè)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(cè)定的統(tǒng)一試驗(yàn)方法”。近幾年，英國(guó)焊接研究所提出了BS7448標(biāo)準(zhǔn)，即“測(cè)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(gè)斷裂力學(xué)參量的測(cè)試統(tǒng)一起來(lái)，受到了焊接學(xué)會(huì)的重視，并予以推廣應(yīng)用?，F(xiàn)已被標(biāo)準(zhǔn)局采納，編號(hào)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(shí)才嚴(yán)格成立。在這個(gè)區(qū)域，對(duì)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(yàn)KIC，COD，JIC除在靜態(tài)載荷外，也在動(dòng)態(tài)載進(jìn)行。這些試驗(yàn)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)斷裂韌性試驗(yàn)，但試驗(yàn)裝置較復(fù)雜。除此之外，還有很多其他試驗(yàn)方法，如類(lèi)似卻貝試驗(yàn)的Lzod試驗(yàn)和施奈特試驗(yàn)等，但很少被使用。另外，還有曾流行一時(shí)的卡亨、蒂普爾、范德文、柯馬勒及利海等試驗(yàn)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?cè)诘蜏叵碌臄嗔秧g性。表一為俄羅斯某機(jī)構(gòu)對(duì)2024和2124合金的斷裂韌性的測(cè)試數(shù)據(jù)[8
此項(xiàng)試驗(yàn)為了弄清KIC隨溫度降低的真實(shí)變化情況，對(duì)每一種合金狀態(tài)取2~3個(gè)試樣，通過(guò)對(duì)一個(gè)試樣進(jìn)行多次測(cè)量斷裂韌性的方法試驗(yàn)兩次。首先測(cè)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(yàn)。
由表所示結(jié)果可以看出，與半成品的種類(lèi)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(shí)效）、取樣的方向（縱向、寬向和高向）以及淬火后時(shí)效前的拉伸矯直（T851）無(wú)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(cè)中查出（一般是常溫下），而對(duì)于焊縫中心、熱影響區(qū)和熔合線區(qū)材料的KIC則須通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。文獻(xiàn)[9]對(duì)貯箱板材LD10鋁合金及其焊件的斷裂韌度JIC進(jìn)行了試驗(yàn)和研究。由于所測(cè)鋁合金板材厚度為13mm，由于板材較薄不滿(mǎn)足平面應(yīng)變狀態(tài)，所以采用J積分法測(cè)定了JIC。作者采用三點(diǎn)彎曲試樣,裂紋由線切割而成,分別開(kāi)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(jì)算裂紋擴(kuò)展量△a和斷裂韌度 ，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式J=C1ΔaC2擬合，Δa=0.20mm偏置線的交點(diǎn)就是所要測(cè)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?yàn)楹附又袩岬挠绊?，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(duì)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(duì)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(kāi)一個(gè)橢圓形缺口，通過(guò)控制疲勞過(guò)程，得到合適的表面裂紋。然后再經(jīng)過(guò)加載、控溫、采集等幾部分。zui后得到的是試件伸長(zhǎng)量與應(yīng)力的關(guān)系曲線，而不能直接得到裂紋張開(kāi)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(guò)J積分測(cè)試結(jié)果表明對(duì)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(duì)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?cái)嗔秧g性試驗(yàn)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(guó)就開(kāi)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(hào)”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(hào)）。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(guó)暫時(shí)還缺乏全面的關(guān)于2219鋁合金力學(xué)性能的測(cè)試數(shù)據(jù)，因此有必要對(duì)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(cè)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(duì)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(píng)定。
對(duì)于以上測(cè)試工作，應(yīng)在材料一定，焊接方法一定的情況下，測(cè)定板材和焊接接頭各個(gè)溫度的各種力學(xué)性能參數(shù)。對(duì)其低溫?cái)嗔秧g性評(píng)定方案有如下幾步：
（1選擇參考標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于斷裂韌性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)發(fā)展得還不是很健全。對(duì)鋁合金母材，可參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2038-1991“金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗(yàn)方法”；GB4161-84“金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC試驗(yàn)方法”。對(duì)于焊接接頭的測(cè)定，我國(guó)還沒(méi)有制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，更沒(méi)有低溫下的斷裂韌性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7448-1997“測(cè)定金屬材料KIC、極限COD和極限J積分值方法”對(duì)常溫下焊接接頭的斷裂韌性試驗(yàn)做出了相關(guān)規(guī)定，并且被ISO收錄。
（2）選擇試驗(yàn)方案
由于擬測(cè)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(guò)J積分方法來(lái)測(cè)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(jì)算出KIC。測(cè)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(méi)有規(guī)定是適用溫度。對(duì)于焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和熔合區(qū)的JIC的測(cè)定，國(guó)內(nèi)沒(méi)有可供參考的標(biāo)準(zhǔn)，參考標(biāo)準(zhǔn)有英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7448-1997，盡管此標(biāo)準(zhǔn)依然是沒(méi)有特別指出可以在低溫下應(yīng)用。 數(shù)據(jù)分析方法
測(cè)出母材和焊接接頭的斷裂韌性數(shù)據(jù)之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。我們可以在多試樣試驗(yàn)結(jié)果中計(jì)算得到一個(gè)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(duì)于材料的可靠性要求極為苛刻。50%置信度只能滿(mǎn)足我們對(duì)材料的zui基本的認(rèn)識(shí)。因此對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行分析