Z31鎂合金激光焊件的力學性能和應力腐蝕開裂行為

1、華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文 AZ31鎂合金激光焊件的力學性能和應力腐蝕開裂行為摘 要：采用Nd-YAG激光對AZ31 HP鎂合金進行激光束焊接，并使用填料AZ61。顯微組織分析表明，使用或不使用填料 (焊料)AZ61鎂合金得到的激光焊接接頭的平均晶粒尺寸大約為12m，顯微硬度和拉伸強度與母材相近。然而，慢應變速率拉伸表明，在ASTM D1384溶液中兩種焊接接頭的抗應力腐蝕性能比母材略差?？捎^察到應力腐蝕裂紋在焊縫金屬中萌生并向熱影區(qū)（HAZ）擴展。然而，在以AZ61鎂合金為填料 (焊料)獲得的焊接接頭中，觀察到裂紋起源及擴展出現(xiàn)在熱影區(qū) （HAZ）。在慢應變速率拉伸試驗中，由于

2、試樣表而暴露在腐蝕環(huán)境中，在氫氧化/鎂氧化鎂層形成局部損傷，從而導致應力腐蝕裂紋的生成。關鍵詞：鎂合金；激光焊接；顯微組織；力學性能；慢應變速率拉伸；應力腐蝕裂紋；斷面分析 1 簡介汽車和飛機應用需要重量輕，HP的材料，在這些工業(yè)中，鍛造鎂合金正逐漸替代鋼材和鋁合金。在一般情況下，鎂合金具有優(yōu)良的鑄造性和穩(wěn)定的成形性，因此，很多部件用鑄造和鍛造鎂合金制成。雖然可以用氣體鎢極氬弧焊完成鎂合金的焊接，但最近，激光束焊接（LBW），電子束焊（EBW）和摩擦攪拌焊接（FSW）工藝被廣泛用于這些合金的鏈接。這是由于可控的能量束和FSW工藝減少了缺陷水平，并進而提高效率的結果。但是FSW的工藝是一種固態(tài)的

3、過程，不涉及任何填充材料，而激光束焊可以在用或不用額外的填充材料的情況下生產鎂合金焊接件。對于許多應用，除了在機械性能以外，材料的抗耐腐蝕能力也必須加以考慮。鎂合金材料一般都被視為是一種抗耐腐蝕性能力較弱的材料10 。然而，一般來講，當鎂合金雜質水平在一定的范圍之內時，其抗耐腐蝕性能被認為好于碳鋼，這是將它們放在德州墨西哥灣海岸的大氣中暴露 年的試驗得出的結果。雜質對鎂合金腐蝕行為的影響是顯著的，尤其是其表面上12 。就焊接件的案例來說，除表面雜質為外，晶粒尺寸，焊接金屬成分，微成分的分布和殘余應力等也會影響其腐蝕行為。另外，應力腐蝕開裂（SCC）在鎂合金中是非常突出的13 。據(jù)報道，這個由環(huán)

4、境促進的鎂合金開裂行為的出現(xiàn)是由于第二相或氫原子的促進作用而產生的陽極電流稀釋。研究人員報告了鎂合金及其焊接件都存在沿晶和穿晶模式 。我們研究組和一些其他研究人員的刊物致力于闡述鎢極惰性氣體保護焊，摩擦攪拌焊以及激光自熔焊接焊件的腐蝕和應力腐蝕開裂行為 。鎂合金的激光束焊接多采用自熔模式。在這項研究中，用自熔模式對AZ的HP鎂合金進行激光束焊接，并引進富鋁的填充材料（AZ61）。因為關于鎂合金激光焊SCC特性的文獻有限，本文做了一次關于焊件顯微組織-力學特性-SCC性能的實驗。2 實驗華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文接起來。使用下面的優(yōu)化焊接參數(shù)：激光功率2.2千瓦；焊接速90毫米/秒

5、；焦點為焊件表面；在頂端用16升/分鐘氦氣保護，在底部用40升/分鐘的氦氣保護。送絲速度為1.25米/分鐘同時用AZ61鎂焊絲焊接。 先用500，1 200和2 500金剛砂對金相試樣（橫截面）進行拋光，然后，通過與膠體硅溶液進行最后的拋光，最后，用一種包含3.5克苦味酸，6.5 ml乙酸，20毫升水和100毫升乙醇的溶液進行蝕刻。用掃描電子顯微鏡（SEM）進行顯微結構檢測。對焊件施加1N的載荷，并持續(xù)20s，來評估微觀硬度。母材合金和焊件的應力腐蝕開裂敏感性是通過慢應變速率拉伸試驗用ASTM溶液來評估的，按照ISO標準7359U形件7 23 ，這個方案包含148mg/ L的硫酸鈉，165 m

6、g / L的NaCl和138mg/ L的碳酸氫鈉在1L的蒸餾水中，其名義應變率為10-6 s- 。圖1呈現(xiàn)了用于慢應變速率拉伸試驗的試樣尺寸。先后用320，500和1 200金剛砂紙進行打磨，除去焊件樣品的表面和焊腳地區(qū)加強筋，并且，在慢應變速率拉伸測試之前，使母材樣品用同樣的表面光潔度。參考在空氣中，對母材合金和焊件樣品進行慢應變速率拉伸試驗，其應變率為10-5 s-。在該慢應變速率拉伸試驗（在空氣中和在ASTM溶液）中，采用兩個線性可變位移傳感器（LVDTs）來測定樣品的伸長率。由于用于測量伸長值的位移傳感器（LVDTs）是安裝在試樣夾具上的，并不在樣品的標準尺寸部分，在討論中，它被認為是

7、表象應力。通過光學顯微鏡，對慢應變速率拉伸試驗的樣品進行了檢測，以確定開裂的位置，并用掃描電鏡（SEM）來研究受損表面，以評估裂縫的性質。圖1 用于慢應變速率試驗中的拉伸試樣尺寸3結果與討論用掃描電鏡（SEM）對母材合金，自熔焊縫金屬和含AZ61填料的焊縫金屬進行掃描，其結果分別顯示于圖2（a）-（c）中。母材合金是一種貧鋁合金，極少量第二相顆粒隨機分布在基體中。與母材合金相比，焊縫金屬晶粒更為細?。ㄆ骄Я３叽缂s12微米）。經觀測，焊縫金屬中含有大量的小于1微米的細小顆粒，并均勻的基體中和晶界。應該指出的是，這些粒子的體積分數(shù)比含有AZ61填充料的焊道要高。經其他研究者報道22，24 ，這種

8、粒子形成于激光束和電子束焊中。雖然BOBBY等22 報道在AZ31合金激光自熔焊接金屬中為富鋁相的顆粒，COELHO和他的合作者用透射電子顯微鏡衍射圖案確定為Mg17（鋁，鋅）12，他們又在第二階段AZ31鎂合金激光焊25接金屬。CHI等人24 也報道了粒子在對AZ31，AZ91鎂合金AZ61與電子束焊接Mg17Al12相。 EDS的點上的粒子組成的分析表明，它們是富鋁和鋅，這證實了CHI等人24 和COELHO等人25 的報告。圖3顯示了在有或無填充材料的情況下得到的焊件的顯微硬度分布。在整個焊件中（母材，熱影響區(qū)和焊縫金屬區(qū)），硬度值在HV0.1（70 ±10）的范圍內。既不是細

9、粒度結構的演化，也不是在鋁鋅豐富的粒子的存在影響焊縫金屬的硬度。據(jù)早期的研究報導22，25 ，對于鎂合金的激光束焊接可以觀察到相似的硬度。華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文圖4呈現(xiàn)的應力與應變曲線表明，這3種樣品都有250 MPa左右的極限拉伸強度圖2 AZ31 母材合金的SEM圖像 (a),無填充料時獲得的焊縫金屬 (b)填充料為AZ61是獲得的焊縫金屬值。母材合金顯示出的應變值約為55，而這兩個焊件樣品的應變值約為46。在 進行拉伸試驗以后，用光學顯微鏡檢測焊接 樣品，以便找出裂縫區(qū)域。圖5（a）中呈現(xiàn)了自熔焊件樣品的慢應變速率拉伸試驗的光學顯微鏡的觀測結果，表明了塑性變形位于焊縫區(qū)

10、和沿晶裂縫區(qū)。然而，在更高的放大倍數(shù)的情況下對開裂區(qū)做進一步的檢測發(fā)現(xiàn)，裂縫源于靠近融合邊界的焊縫區(qū)縮頸，并擴展到焊縫的熱影響區(qū)。圖3 激光束焊件的為硬度分布圖圖5（b）顯示了焊縫區(qū)表面和融合邊界的裂縫。同樣，圖5（c）顯示了最終焊縫路徑位于母材合金熱影響區(qū)的根區(qū)域?？紤]到在焊縫區(qū)出現(xiàn)的縮頸和裂縫，很明顯，自熔焊接略有不足，盡管焊件和母材合金試樣的拉伸強度值幾乎相同。圖4在大氣環(huán)境下，母材合金AZ31和焊件試樣在應變速率為10-5s-時的應力應變曲線華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文圖5 在大氣環(huán)境下，自熔焊件試樣的慢應變速率拉伸測試的光學顯微鏡觀測圖：（a） 概觀；（b）焊縫中裂縫的位

11、置/路徑（圖5（a）的標記為A和B的區(qū)域的高倍放大圖）在有AZ61填料時得到焊件樣品的情況下，觀察到拉伸斷裂的位置在母材合金區(qū)，并遠離焊縫區(qū)，如圖6（a）所示。焊縫及熱影響區(qū)并沒有顯示出任何跡象的塑性變形，并且，焊接金屬/ HAZ的區(qū)以外的裂縫表明這一焊件的高度匹配性。用光學顯微鏡觀測的母材合金的未變形區(qū)（圖6（b）和縮頸區(qū)（圖6（c）項）清楚地揭示了母材合金塑性變形的程度。焊縫金屬的力學性能較好的原因是一個潛在的固溶強化效應，這是由于使用AZ61填料增加焊縫金屬中鋁的含量。理所當然，母材中沉淀析出的相粒子的增加能影響機械性能。對母材合金和在ASTM D1384熔液中通過10-6每秒的常規(guī)應變

12、速率SSRT實驗，測試了母材合金焊件樣品拉伸試驗的裂縫表面進行檢測發(fā)現(xiàn)了纖維凹陷的結構特征的韌性斷裂。圖6 在大氣環(huán)境下，使用AZ61填充料的焊件試樣的慢應變速率拉伸測試的光學顯微鏡觀測圖：(a) 概觀 (標記的裂縫離焊縫很遠)； (b)焊件中未受影響的基體金屬的微觀結構(圖6（a）中所標記的A區(qū)域)； (c) 焊件母材合金的縮頸區(qū)的強烈變形微觀圖 (圖6（a）中所標記的B區(qū)域)及焊縫金屬的環(huán)境開裂敏感性。圖7展示了母材合金和焊接樣品的應力-名義應變曲華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文線。三種樣品在腐蝕環(huán)境下的失效應變比空氣中要小得多。樣品名義應變的急劇降低表明了其腐蝕裂紋敏感性。母材在

13、達到最大195MPa的應力和6%的名義應變時斷裂，自熔焊件在185Mpa應力和4.5%名義應變下斷裂，AZ61填料焊件的最大應力180Mpa和4%的名義應變。三者的橫截面分別縮小7.5%。這表明，在10-7每秒10-8每秒的應變速率下，鎂合金及其焊件在空氣中對SCC的敏感性比在ASTM D1384測試環(huán)境下更高。腐蝕環(huán)境下與空氣中應力的比值被作為SCC敏感指數(shù)(ISCC).母材和兩種樣品的極限應力指數(shù)(ISCC(UTS)為(0.73±0.03)，極限名義應變指數(shù)(ISCC-%H)為(0.10±0.01)。BOBBY等人稱，對于az31母材合金及攪拌摩擦焊件，在ASTM D1

14、384腐蝕液中，在10-7/S的應變速率SSRT實驗中，SCC敏感指數(shù)僅有略微增加。自熔焊件樣品在ASTM D1384腐蝕液中經過SSRT測試后的光學顯微圖如圖8（a）。樣品在焊縫及焊縫/熱影響區(qū)界面失效。同時很明顯，焊縫金屬經歷了一定程度的塑性變形，如圖中底部所示。此外，母材合金有微裂紋存在（圖8中箭頭標注）。進一步的對圖8（a）中底部標注A的區(qū)域檢查發(fā)現(xiàn)微裂紋存在，表明了焊縫對SCC的敏感性。雖然焊縫表面區(qū)域的變形不明顯，另一些應力腐蝕裂紋萌生于焊縫表面，并向焊縫和熱影響區(qū)擴展，引起最終的斷裂。在圖8c中明顯可見，裂紋/斷裂路徑起源于焊縫表面。圖9a展示了AZ61填料焊件樣品在ASTMD1

15、384腐蝕液中SSRT試驗后的光學顯微圖。該樣品的裂紋區(qū)域靠近焊件表面熔合線，標記為A，該區(qū)域高倍放大照片如圖9b所示，圖中表明SCC裂紋明顯起源于haz，并非?？拷酆暇€，在最終和母材分離斷裂前沿著焊縫/haz界面擴展。同時觀測到在根部熔合線區(qū)域母材有0.5mm的微量縮頸。但是，斷裂區(qū)域殘留的母材原始晶粒結構清楚滴表明塑性變形擴展很小，且沒有明顯的加工硬化。（圖9c）。確切地說，自熔焊件或者AZ61填焊焊縫中存在的小孔形式的缺陷不會影響力學性能，也不會影響SCC行為。圖7 az31母材及兩種焊接樣品在應變速率10-5/s下在astm d1384腐蝕液中的應力-名義應變圖圖8 自熔焊ssrt測

16、試光學顯微圖（a）整體（b）圖8a中標注A的區(qū)域在焊縫根部出現(xiàn)裂紋（c）圖8中標注B的區(qū)域在焊縫表面發(fā)生斷裂華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文圖9 az61填焊的ssrt測試光學顯微圖（a）整體（b）圖9a標注A的區(qū)域在靠近熔合線的HAZ區(qū)出現(xiàn)裂紋（c）圖9a中標注B的區(qū)域，在焊縫的小孔以及未受影響的母材晶粒很明顯，兩種焊件都比母材有稍高的SCC敏感度。Bobbt等人稱，激光焊縫比母材在ASTM D1384腐蝕劑下有更好的抗蝕性，因此可以把haz的SCC歸因于電腐蝕。但是，在這一工作中，SCC發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在焊縫區(qū)，并沿著焊縫/haz擴展。眾所周知，鎂合金在潮濕環(huán)境下的溶蝕導致表面氧化鎂、氫氧

17、化鎂膜的形成。SSRT測試中，焊縫的應變/形變會引起表層微裂紋，從而產生局部SCC的產生。另一方面，SCC在AZ61填焊中發(fā)現(xiàn)起源并擴展于熱影響區(qū)。在這一情況下，如果增加焊縫中al的含量有可能產生更好的抗腐蝕性。同樣，隨著al的增加，焊縫強度同樣增加。在應變中，該區(qū)域不會參與塑性變形。因此可以觀測到，該區(qū)域的裂紋偏離焊縫。用含5% NaCl 的 astm b117腐蝕液 對焊件樣本進行48小時鹽霧處理。光學顯微圖10a，b表明，自熔焊和AZ61填料焊都存在腐蝕區(qū)擴展。在自熔焊中（圖10a），在寒風可以觀測到拒不損壞。但是，這種損傷的擴展到母材非常深。這一觀測表明，對于自溶焊件，相比于其他的區(qū)域

18、，焊縫性能最好。在AZ61填料焊中（圖10b），腐蝕區(qū)在熔合線（熱影響區(qū)）擴展。母材同樣有很深的腐蝕，可以再上面的圖中看出。通過鹽霧試驗，可以得出如下結論：1）兩種情況下焊縫抗腐蝕性能都優(yōu)于其他部位，可能是由于相對穩(wěn)定的氧化膜形成以及（或）更高的電位。2）由于富al區(qū)域明顯高的電位，導致AZ61填料焊件熱影響區(qū)熔合線腐蝕加強。圖10 樣品經過48小時鹽霧處理后的光學顯微圖（a）自熔焊焊件（b）az61填料焊焊件華中科技大學畢業(yè)設計（論文）參考文獻譯文母材和兩種焊縫分別在空氣和ASTM D1384腐蝕液下進行SSRT測試，結果斷面有著相似性，具有代表性的斷面圖如圖10一a，b?？諝庵袦y試的斷面有

19、許多凹陷，而在腐蝕劑環(huán)境下的測試樣品表現(xiàn)出脆性和穿晶表面。雖然winzer等人觀測到晶界斷裂，bobby等人報道了在GTA（鎢極氣體保護焊）和LB（激光束焊）az31填焊焊件混合斷裂（沿晶和穿晶）。許多早期的鎂合金的SCC的研究報道了穿晶斷裂，這可能是氫的作用。在這一研究中，所有的樣品都表現(xiàn)出了穿晶斷裂，這表明氫致裂紋時一種可能的成因。假定樣品表面的膜作為氫的產生和進入場所，從而產生破壞。這一研究表明，AZ61填料焊比自熔焊在匹配性上要好，但是這一焊件在ASTM D1384腐蝕劑下表現(xiàn)出比母材和自熔焊更高的SCC敏感性。圖11 樣品ssrt測試的斷面圖（a）空氣中（b）astm d 1384腐

20、蝕劑中4 結論1）az31 hp鎂合金激光焊在不管有無填料的情況下都有合格的力學性能。但是母材和兩種焊件在ASTM D1384腐蝕液下具有SCC敏感性，即使在常規(guī)的10/s的應變速率下。2）樣品表面形成的氧化膜，氫氧化膜在暴露到ASTM D1384腐蝕劑下，在應變下必然發(fā)生局部破壞，從而導致了SCC。所有例子中都發(fā)現(xiàn)穿晶裂紋，這表明氫在SCC過程中的作用。3）鹽霧試驗證明，在兩種焊件中，焊縫的抗蝕性最好。由于AZ61填料導致的焊縫富鋁使得臨近熔合線的熱影響區(qū)遭受電致?lián)p壞。-6References1 ELIEZER E, AGHION E, FROES F H. Magnesium scienc

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