當今鋁合金焊接接頭低溫斷裂韌性研究

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隨著航空航天技術的飛速發展，對超低溫材料的需求日益迫切。如運載火箭液化器容器、液化冷凍機、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格[1]。在各種材料中，高強鋁合金材料具有密度低、無磁性、低溫下合金相穩定、在磁場中比電阻小、氣密性好、感應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用[2,3]。
宇航材料中，要求結構非常緊湊，既沒有寄生重量，又要保證安全可靠，傳統力學強度和韌性指標要求已很難滿足要求，基于斷裂力學的可靠性評定技術逐漸成為結構評定的發展趨勢。但是由于低溫實驗條件和技術的限制，關于鋁合金低溫性能評定標準還也不完善，所以高強度鋁合金材料低溫性能的研究和與可靠性評價技術與低溫材料的實際應用很不相稱，材料低溫斷裂性能的研究更少。
焊接是高性能鋁合金結構的重要加工手段。焊接接頭又是一個存在著力學和幾何不均勻性的結構體，裂紋等缺陷容易出現在其焊縫、熔合線和熱影響區三個不同位置。焊接接頭作為整個焊接結構中薄弱環節，對其低溫性能的要求更是關系到整個結構安全可靠性的重要指標。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. 斷裂力學理論
1.1斷裂力學判據
隨著近年來斷裂力學的進展，在評價結構使用性能時，zui適當的量度已變為斷裂韌性。在斷裂力學上把材料抵抗裂紋擴展的能力稱為斷裂韌性。在實際工程應用中我們采用那個斷裂力學破壞判據？如何應用斷裂力學指導選材與測定斷裂韌性？這些是必須要首先解決的問題。目前斷裂力學斷裂判據較多，其特點、出發點各有不同。如線彈性斷裂力學（KIC）可以認為是應力判據，裂紋張開位移（COD）可認為是位移判據，J積分可認為是能量判據，塑性區的尺寸ρ可認為是應變判據等。
這些判據在評定結構件有那些問題？采用哪個比較適宜？為此必須了解這些判據的特點、約束條件、優點及不利的地方。線彈性斷裂力學適用于平面應變或小范圍屈服條件下；對于大范圍屈服采用  ，  ，  判據，對于全面屈服狀態下的  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中很有前途的方法[4]。
1.2斷裂韌性試驗方法
現就斷裂韌性試驗中采用小形試樣的試驗做些介紹。
（1）平面應變斷裂韌性試驗（KIC試驗）
它是一種靜態彎曲試驗，用特殊的夾式應變計求出缺口部位變位，再按與載荷的關系求KIC值。但此方法，裂紋的側向收縮必須是平面應變狀態。為滿足該條件，存在著要比產品使用溫度相差較大的低溫下進行試驗，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。平面應變標準斷裂韌性的測試方法是所有斷裂韌性測試方法中度zui高、數據資料zui齊全的。但試樣尺寸大，試驗周期長，費用高。
（2）COD試驗
它是Cottrell和Wells所，不受平面應變狀態限制。目前COD的判據已廣泛應用于焊接結構抗開裂性能評定中。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，由斷裂發生時的夾式應變計的變位（Vc）經計算就能求得COD的換算值。
（3）JIC試驗
與英國COD試驗相對應的是美國提出JIC試驗。自從J.R Rice提出了J積分后，J積分在斷裂力學中得到廣泛應用。Begley和Landes根據實驗，zui早提出J積分斷裂準則，而EPRI（美國電力研究院）進一步指出J積分值工程計算方法和評定判據。利用J積分，可以大大減小測試試樣的厚度。
1.3 斷裂力學實驗標準
KIC的測試過去一直沿用美國ASTM E399－72的標準，我國1979年制定了冶標YB947-78“金屬材料平面應變斷裂韌性KIC的試驗方法”的標準，并在國內廣泛試行。1984年我國制定了等效于美國的同類標準，即GB4161-84“金屬材料平面應變斷裂韌性KIC試驗方法”。
英國機械工程工業標準會議在1972年頒發了DD19裂紋張開位移（COD）試驗方案草案。我國80年也制定了相關標準，GB/T 2358-80“裂紋張開位移（COD）試驗方法”。相關標準還有美國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，我國有標準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”，后經過補充和完善，版本為ASTM E1820-2006e1。
隨著斷裂力學學科的發展和應用，不少國家均都制定頒布了斷裂力學參量KIC，COD，JIC的測試標準。標準化組織也制定了相關標準，如ISO 12135-2002 “金屬材料準靜態斷裂韌性測定的統一試驗方法”。近幾年，英國焊接研究所提出了BS7448標準，即“測定金屬材料KIC、極限COD和極限J積分值方法[5]”，該標準把KIC、COD和JIC三個斷裂力學參量的測試統一起來，受到了焊接學會的重視，并予以推廣應用。現已被標準局采納，編號為ISO/TC164/SC4-N400[6]。
這些關系只有在線彈性條件下，  等于能量釋放率  時才嚴格成立。在這個區域，對式樣尺寸有適當的限制，用  （平面應變狀態）表達比較合適。前面的試驗KIC，COD，JIC除在靜態載荷外，也在動態載進行。這些試驗稱為動態斷裂韌性試驗，但試驗裝置較復雜。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。表一為俄羅斯某機構對2024和2124合金的斷裂韌性的測試數據[8
此項試驗為了弄清KIC隨溫度降低的真實變化情況，對每一種合金狀態取2~3個試樣，通過對一個試樣進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℃的液氮中進行試驗。
由表所示結果可以看出，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，KIC值隨溫度的降低而增加。
常用鋁合金結構材料的斷裂韌性KIC一般可以由手冊中查出（一般是常溫下），而對于焊縫中心、熱影響區和熔合線區材料的KIC則須通過實驗測定。文獻[9]對貯箱板材LD10鋁合金及其焊件的斷裂韌度JIC進行了試驗和研究。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變狀態，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。裂紋在焊縫和熱影響區的位置參考BS7448: 1997-PartⅡ。實驗過程按GB/T 2038-1991在進行。加載完再卸載后將試樣壓斷，根據載荷位移曲線計算裂紋擴展量△a和斷裂韌度  ，再根據經驗公式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。結果表明） LD10鋁合金熱影響區的試樣裂紋頂端發生了大范圍的鈍化,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，使材料結構發生變化。LD10鋁合金焊縫的斷裂韌度比母材要低，焊縫中存在雜質和氣孔等缺陷。
文獻[10] 針對推進劑貯箱結構中的未穿透裂紋，利用斷裂理學理論求出裂紋前緣應力強度因子KI，然后對焊接試樣分別選擇焊縫中心、熔合線及熱影響區三種典型位置預制表面裂紋，求出KIC，比較大小。
文獻[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。然后再經過加載、控溫、采集等幾部分。zui后得到的是試件伸長量與應力的關系曲線，而不能直接得到裂紋張開位移與應力的關系曲線。
文獻[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果差別增加,而與全焊縫材料結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，有待進一步研究。
3．2219鋁合金焊接結構低溫斷裂韌性試驗方案
熱處理強化的2219鋁合金是用于航天產品的輕質高強結構材料，工作溫度范圍可達-250℃~+250℃。早在二十世紀六十年代，美國就開始研究使用2219鋁合金作為運載火箭低溫燃料貯箱。俄羅斯“能源號”運載火箭貯箱的結構材料即是與2219鋁合金成分和性能相近的1201鋁合金（俄羅斯鋁合金編號）。在航天領域，可靠性和安全性是zui要的指標。只有全面掌握合金的力學性能數據并加以分析，才有安全保障。我國暫時還缺乏全面的關于2219鋁合金力學性能的測試數據，因此有必要對低溫材料2219鋁合金及其焊接接頭的力學和斷裂力學性能進行測定。
目前運載火箭貯箱擬采用2219鋁合金，焊接方法主要包括熔焊方法和摩擦焊方法，針對不同狀態的2219鋁合金母材和焊接接頭進行斷裂力學評定。
對于以上測試工作，應在材料一定，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性能參數。對其低溫斷裂韌性評定方案有如下幾步：
（1選擇參考標準
對于斷裂韌性評定標準，我國發展得還不是很健全。對鋁合金母材，可參考國家標準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標準，更沒有低溫下的斷裂韌性測試標準。英國標準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規定，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，不符合平面應變狀態條件，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標準中JIC和KIC的關系，計算出KIC。測定母材在低溫下的的JIC，可以參考GB/T 2038-1991，但是此標準中并沒有規定是適用溫度。對于焊接接頭焊縫、熱影響區和熔合區的JIC的測定，國內沒有可供參考的標準，參考標準有英國標準BS 7448-1997，盡管此標準依然是沒有特別指出可以在低溫下應用。       數據分析方法
測出母材和焊接接頭的斷裂韌性數據之后，需要對數據進行整理分析。我們可以在多試樣試驗結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性能。從數學理論上講，只有50%的可靠度。在航空航天領域，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基本的認識。因此對運載火箭貯箱的材料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。因此還需要對數據用數理統計的方法進行分析