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铝合金焊接接头延性断裂过程与形态特征

铝合金焊接接头延性断裂过程与形态特征
铝合金焊接接头受载时,无缺陷的部分发生一定的弹塑性变形,接头缺陷的尖端或应力集中处产生裂纹,接头部分区域也以微孔聚合机制形成新的裂纹,随后该裂纹以一定形式扩展到一定尺寸后就发生失稳扩展,造成接头断裂破坏。
铝合金焊接接头如果没有缺陷,则在载荷作用下,会在接头应力集中处或接头内部产生微孔聚合型裂纹,裂纹进而扩展,最终导致接头断裂失效。
延性断裂的断口一般那呈纤维状,色泽灰暗,边缘有剪切唇,断口附近有宏观的塑性变形。杯锥状断口是一种常见的延性断口。杯锥状断口底部是与主应力方向垂直的宏观平断口,它是材料处在平面应变状态下的延性断裂。断口并不是完全平直而有很细小的凹凸,这些凹凸的小斜面又和拉伸轴承45度角,故呈纤维状。另外一种典型的延性断口是切断斜断口,它是切应力在平面应力状态下形成的。断口附近有明显的宏观塑性变形。
延性断裂的微观特征形态是韧窝。韧窝的实质是材料微区塑性变形,形成空洞聚集和长大,导致材料断裂所留下的圆形或椭圆形凹坑,如图6-58所示。由于所受应力状态的不同,所以显微空性的形核、长大、聚集过程不同,据此韧窝又可分为正交(等轴)韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝。在正应力作用下,应力在整个断口表面上分布均匀,使垂直于主应力的杯底中心部位形核的纤维空暇向各方向长大,最后形成等轴的韧窝,即正交断裂韧窝。
韧性断裂的韧窝花样电镜图像
在切应力和撕裂应力作用下,显微空隙在形核和长大的过程中,其四周所承受的应力是不均匀的,因而变形也是不均匀的,断裂后所形成的韧窝形貌似抛物线状,两者所不同的是,在撕裂应力作用下两个相匹配断口表面上的方向是相反的。三种应力状态所产生的显微空隙聚结过程及韧窝花样示意如图6-59所示。
当铝合金焊接接头的质量符合设计要求时,容器类结构延性断裂的实际爆破压力接近设计的爆破压力,但当焊缝存在大量的裂纹源、严重的应力集中或冶金组织较差,均会造成接头部位发生延性断裂失效,严重时造成低压爆破。
应力状态所产生的显微空隙聚集锅中及韧窝花样示意图
晶界脆性断裂是指沿晶粒边界发生的分离。晶界脆性断裂的断口宏观性特征呈颗粒状或粗瓷状,色泽较灰暗,但比韧性断口要光亮。断裂前没有可以觉察到的塑性变形,断口一般与主应力垂直,表面平齐,边缘有剪切唇。晶界 脆性断裂的断口微观形态特征是明显的多面体,没有明显塑性变形,呈现不同程度的晶粒多面体,外形如岩石状花样或冰糖块状花样。
在铝合金焊接接头中,由于存在各种析出相、夹杂物和元素偏析,出现第二相粒子,甚至出现脆性薄层,在环境(如应力腐蚀)、温度和机械(如三向应力状态)等载荷作用下,将有可能导致局部微观晶界的脆性断裂。尤其是铝铜系合金熔焊困难,接头内部容易产生微小热裂纹源(焊缝中的结晶裂纹、近缝区的液化裂纹等)。在随后的构件存放过程中,上述裂纹源会在残余应力和应力集中的作用下发生启裂扩展,经一段时间后,形成一定尺寸的表面可见的扩展裂纹。带有这种扩展裂纹的容器进行液压试验时,即可能发生低应力脆性爆破。
由于铝合金焊接接头具有较好的塑性和韧性,所以断裂时往往不是碎裂,即碎片不多,而只是裂开一个口子,造成泄漏。壁厚均匀的铝合金圆筒形容器,常常在纵向焊缝的中部熔合线处启裂,并沿焊缝熔合线向两端扩展。当圆筒容器两端封头有焊接的法兰时,则延性断裂极有可能发生于法兰盘焊缝处。例如,为考核2219铝合金搅拌磨焊焊缝的性能和用于我国航天贮箱纵缝焊接的可行性,采用国产2219铝合金制造了两个厚度为4mm的φ500mm半圆筒段,通过两道搅拌摩擦焊纵缝将其焊接成为一个完整的φmm的圆筒段;完成纵缝焊接后,该圆筒段和两个带有熔焊的法兰盘环缝的封头再通过两道熔焊的环缝焊接成为φ500mm的贮箱缩比件。如图6-60所示。该缩比件焊接完成后进行液压爆破试验以考察纵缝的性能;当试验压力加至4.1MPa时,一端封头上的法兰盘环缝发生破裂,而搅拌摩擦焊的纵缝未发现任何启裂裂纹,但有明显的塑性变形痕迹;液压后破裂的法兰环缝如图6-61所示。断口分析表明,法兰盘环缝断裂的启裂位置位于应力集中严重焊趾处,然后沿熔合线扩展直至缩比件爆破;其性质属于典型的延性断裂。
贮箱及液压爆破的贮箱封头法兰环缝

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