超声冲击对MB8镁合金对接接头疲劳性能的影响



(1. 华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室， 南昌　330013;2. 南车青岛四方机车车辆股份有限公司， 青岛　266111)

摘　要：采用HJ-Ⅲ型超声冲击设备对MB8镁合金对接接头焊趾区域进行冲击处理. 利用EHF-EM200K2-070-1A电液伺服疲劳试验机对超声冲击前后的MB8镁合金对接接头进行疲劳对比试验. 采用光学显微镜和高分辨率的透射电镜对超声冲击后的MB8镁合金对接接头的表层组织进行了分析. 结果表明,在试验循环基数为2×106周次的条件下，超声冲击态接头的疲劳强度为52.8 MPa,比焊态试样的疲劳强度提高了37.5%，在同等应力水平下，接头的疲劳寿命提高了58～65倍. 超声冲击后，焊趾处的应力集中程度降低，焊址及附近区域发生明显塑性变形，变形层厚度大约为70 μm，并在焊趾表面获得了纳米晶组织，同时把焊接残余拉应力转变为压缩应力. 超声冲击可以大幅度地提高MB8镁合金焊接接头的疲劳寿命.

关键词：超声冲击；镁合金；对接接头；疲劳寿命

中图分类号：TG 405； TG 457.19

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)08-0124-05

0　序　　言

镁及其合金是当今最轻的结构材料之一. 镁合金重量轻、比强度高、比刚度高以及优良的力学性能而被广泛的应用在航空航天、汽车工业及船舶工业等结构中[1-4]. 由于镁合金的化学性质活泼、熔点低、导热快以及热膨胀系数较大，在焊接过程中，镁合金接头的焊趾区域容易产生应力集中、残余拉应力、晶粒粗化及焊接缺陷[5]，使得镁合金结构承受疲劳载荷的能力较差，易发生疲劳断裂. 因此可以通过改变焊趾部位的应力集中、微观组织以及残余应力来提高接头的疲劳性能. 超声冲击(ultrasonic impact treatment, UIT)是一种新的表面强化技术，其原理是利用超声波驱动冲击针连续的冲击结构表面，使表面发生明显的塑性变形，同时产生残余压缩应力. 研究表明，UIT提高焊接接头的疲劳性能主要是通过增大焊趾的圆弧过渡半径，引入压缩应力，改变其应力集中来实现的[6-9]. 目前研究超声冲击对钢铁及其它金属及其焊接接头疲劳性能的影响方面的文献较多[10-12]，而有关超声冲击对镁合金对接接头疲劳性能影响的研究报道很少. 为此文中以MB8镁合金对接接头为研究对象，对冲击前后的对接接头进行疲劳试验，探讨了超声冲击对镁合金对接接头疲劳性能的影响.

1　试验方法

1.1　试验材料及接头形式

焊接材料采用轧制态的MB8镁合金板，厚度为8 mm，其化学成分(质量分数，%)为Mn 1.5～2.2， Ce 0.15～0.35，Al 0.2～0.3，Zn 0.30，Mg为余量，MB8镁合金的屈服强度ReL为146 MPa，抗拉强度ReL为239 MPa，断后伸长率A为24.7%. 填充材料采用直径为3 mm的MB3镁合金焊丝，其化学成分为(质量分数,%)Mn 0.3～0.6，Al 1.7～4.7，Zn 0.8～1.4，Mg为余量. 焊接采用手工非熔化极气体保护焊(tungsten inert gas, TIG)进行，在焊接前用丙酮溶液清洗镁合金表面的油污和污物，并用砂纸去除焊丝表面的氧化层. 接头试样的几何形状和尺寸如图1所示.

图1　对接接头几何形状和尺寸(mm)

Fig.1　Shape and size of butt joint

1.2　超声冲击处理

采用上海宣邦生产的HJ-Ⅲ超声冲击设备对焊趾区域表层进行冲击处理. 超声冲击处理过程中冲击枪对准试样的焊趾部位，基本垂直于焊缝，且冲击头前端安装的3 mm直径的冲击针阵列沿焊缝方向排列. 略施加一定的压力，使处理过程中冲击枪基本在自重的条件下进行. 以2～3 m/min的速度来回冲击，超声冲击时电流为1.0 A，冲击时间为10 min.

1.3　疲劳试验方法

疲劳试验采用日本岛津的电液伺服EHF-EM200K2-070-1A型疲劳试验机. 试验机相关参数为：动载±200 KN，静载±240 KN，载荷精度满量程为±0.5%. 疲劳试验时，焊态接头和冲击态接头所加载荷均为正弦波类型的拉-拉载荷，应力比R=0.1，加载频率f=10 Hz. 疲劳试验时将接头试件分成两组，第一组为原始焊态；第二组进行超声冲击处理. 疲劳试验前，用砂纸打磨试样两侧圆弧过渡区，去除线切割可能留下的割痕，从而能得出更准确的疲劳试验数据.

1.4　超声冲击后表面组织观察

采用德国蔡司Axio Vert.A1型光学显微镜和日本电子JEM-2100透射电镜对冲击处理后的MB8镁合金接头焊趾处表层组织进行观察，分析超声冲击对镁合金接头焊趾区域的晶粒细化的影响.

1.5　残余应力测试

对超声冲击前后MB8镁合金对接接头焊趾表层金属的残余应力进行了测量，采用国产X-350 A型射线型应力测定仪测量焊趾处表层金属的残余应力.

2　疲劳试验数据处理方法

根据国际焊接学会(international institute of welding, IIW)结构循环加载疲劳文件的相关规定，采用下述统计方法对焊接接头疲劳试验数据结果进行处理[13]. 该统计方法的前提条件是疲劳试验数据结果呈对数正态分布，国际焊接学会规定的数据存活率为95%，置信度标称值为75%.

标称值通过下述方法进行计算. (1)计算疲劳试验数据结果的应力范围Δσ和循环次数N换算成以10为底的对数值. (2)采用幂指函数回归模型计算指数m和常数lgC的值，即

mlgΔσ+lgN=lgC

(1)

式中:m，C为拟合常数.

(3)设Ci是试验数据的对数值，利用所获得的m值，计算lgC的平均值Cm和标准偏差Stdν,即

(2)

(3)

(4)计算特征值Ck,即

Ck=Cm-K·stdν

(4)

3　试验结果

3.1　疲劳试验结果及分析

为了研究超声冲击处理对MB8形变镁合金焊接接头疲劳性能的影响，采用日本岛津电液伺服EHF-EM200K2-070-1A型疲劳试验机对经线切割加工并打磨过渡区后的焊态试样和超声冲击态试样进行了拉-拉疲劳试验. 焊态试样和冲击态试样的试验结果分别见表1和表2. 相应的应力S-寿命N对比曲线见图2.

表1　焊态试样疲劳试验数据

Table 1　Fatigue test results of as-welded specimens

试样编号最大应力σmax/MPa疲劳寿命N(106周次)断裂位置147.50.187635焊趾2450.254596焊趾342.50.376138焊趾4400.666954焊趾537.51.275797焊趾6357.176906焊趾73510.346654未断

表2　冲击态试样疲劳试验结果

Table 2　Fatigue test results of UIT specimens

试样编号最大应力σmax/MPa疲劳寿命N(106周次)断裂位置1650.258002焊趾262.50.362538焊趾3600.538126焊趾457.50.635426焊趾5550.763513焊趾652.51.053349焊趾7505.836186未断

从表1可以看出，焊态试样1～6均断于焊趾，试样7在循环周次达到1×107时未断裂；从表2可以看出，超声冲击试样1～6也都断于焊趾. 从表1和表2可以看出，尽管超声冲击可以提高MB8镁合金对接接头的疲劳强度，但并不能改变接头的断裂位置，表明接头的焊趾部位具有较大的应力集中，不论冲击与否，焊趾均为接头疲劳破坏的薄弱环节.

图2　对接接头S-N对比曲线

Fig.2　S-N curves of butt joints

MB8镁合金焊态对接接头的S-N曲线方程为lgN=28.09-13.77 lgσ；超声冲击态接头的S-N曲线方程：lgN=26.46-11.70 lgσ. 曲线拟合参数如表3所示. 以2×106循环周次下的应力表征焊接接头的条件疲劳极限，见表3.

表3　疲劳试验数据统计结果

Table 3　Statistical results of fatigue test data

处理状态拟合常数m拟合常数C疲劳极限p/MPa焊态13.7728.0938.3冲击态11.7026.4652.8

由图2可知，冲击前后试样的S-N曲线近似于平行，并且冲击前后的试样的最大应力和循环周次几乎成线性关系. 同时可以看出，在同等应力水平下，焊态试样疲劳寿命远远低于冲击态试样；在相同疲劳寿命条件下，超声冲击态试样的疲劳强度均远高于焊态试样. 从表3可以看出，在循环周次为2×106时，焊态和超声冲击态接头试样的条件疲劳极限分别为38.3 MPa和52.8 MPa，经超声冲击后，镁合金对接接头的条件疲劳极限提高了37.5%.

为获得相同的应力水平条件下焊态接头试样和超声冲击态接头试样的疲劳寿命变化情况，将表1和表2中相应的数据按方程SmN=C拟合(参数如表3所示)，(分别得出焊态试样在疲劳寿命为105周次时所对应应力水平条件下,超声冲击态试样的疲劳寿命以及超声冲击态试样在疲劳寿命为107周次时所对应应力水平条件下焊态试样的疲劳寿命)，结果列于表4.

从表4可看出，当焊态试样的疲劳寿命为1×105时，其最大应力为47.50 MPa，而对应的冲击态试样在应力为47.50 MPa时，其疲劳寿命达到6.918×106循环次数. 当冲击态试样的疲劳寿命为107时，其最大的应力为46.05 MPa，在此应力时，焊态试样的疲劳寿命为1.538×105次数. 对比结果表明，在循环次数105～107范围内，冲击后试样的疲劳寿命是焊态试样的58～65倍. 由此可以说明，经过超声冲击后，MB8镁合金焊接接头的疲劳性能得到明显的提高.

表4　超声冲击前后疲劳寿命对比

Table 4　Comparison between treated and untreated specimens

处理状态最大应力σmax/MPa疲劳寿命N(105周次)焊态47.501冲击态47.5069.18焊态46.051.538冲击态46.05100

3.2　超声冲击后表层组织分析

图3为超声冲击表层的金相组织形貌，由图3可知，冲击后在焊趾表层发生了剧烈的塑性变形，变形层厚度大约在70 μm，表层晶粒细化明显. 图4为超声冲击后表层金属在透射电镜下观察到的组织形貌. 由图4可以看出，经超声冲击后MB8镁合金接头焊趾区域局部的晶粒尺寸小于100 nm，同时所对应的选区电子衍射环反映出，其细化后晶粒的衍射图表现为连续的圆环，表明细化晶粒呈随机取向. 在晶粒的细化过程中，表层组织内部产生了高密度的位错缠结、位错墙及位错胞. 晶粒细化提高MB8镁合金接头疲劳性能的根本原因是：超声冲击后，细化了表层晶粒，使得晶界和晶内应变维持在同等程度，使得材料受力非常平均，从而应力集中情况得到了非常大的改善，应力集中比较小，不容易萌生裂纹. 在裂纹的扩展阶段，由于纳米晶的产生，在单位体积内的晶界数量增加了很多，当微裂纹向前扩展时，会在晶界处受到阻碍，同时由于纳米化后晶界的数量比较多，会消耗更多的能量. 当微裂纹越过了晶界，由于形成的纳米晶是随机取向的，必然会反复改变裂纹的扩展方向，从而消耗能量会更多，裂纹向前扩展的距离就会减少很多，从而使得接头的疲劳性能得到很大程度的改善.

图3　冲击表层微观组织

Fig.3　Microstructure of treated surface

图4　冲击表层TEM明场像及对应的衍射花样

Fig.4　Bright field TEM image of treated surface and the corresponding SAED pattern

3.3　超声冲击对焊趾区域形貌及残余应力的影响

超声冲击后，MB8对接接头焊址区域表面发生了明显的变化，如图5所示. 焊趾过渡半径增大，降低了接头焊趾处的应力集中程度，同时在其表面产生了一定厚度的变形层，焊缝及其附近区域的焊接残余拉应力转变为压应力，对镁合金焊接接头疲劳性能的提高有一定的积极作用. 焊接接头超声冲击前后残余应力的测量数据见表5.

图5　超声冲击接头焊趾区域形貌

Fig.5　Morphology of treated weld toe surfaces

由表5可知，焊态试样焊趾区域表层金属的残余应力无论是焊缝长度方向(x方向)还是垂直于焊缝方向(y方向)均为拉伸应力，其中焊缝方向上的残余应力达到了191 MPa，超过了MB8镁合金的屈服强度. 这可能是应力仪的测量误差引起的. 经超声冲击后，焊趾部位的残余拉应力得到明显降低，甚至将残余拉应力转变为压缩应力，其数值为-68 MPa，残余压应力不仅可以阻止疲劳裂纹的萌生，还可以延缓疲劳裂纹的扩展速率，从而使MB8镁合金焊接接头的疲劳寿命大幅度的提高.

表5　焊态及冲击态试样的残余应力

Table 5　Residual stress of as-welded and UIT samples

试样类型x方向应力σx/MPay方向应力δy/MPa焊态试样19156冲击态试样-68-45

综合以上分析，MB8镁合金对接接头的焊趾及其附近区域经过超声冲击处理后，不仅表层组织得到细化，还可以增大焊趾处的过渡半径，降低接头应力集中并在焊趾表面造成残余压应力. 试验结果充分表明超声冲击处理可以使在焊趾处可能出现的疲劳裂纹被大幅度延迟，冲击层金属的疲劳强度得到提高，从而大幅度提高对接接头的疲劳性能.

4　结　　论

(1) 在循环周次为2×106时，MB8镁合金焊态接头的疲劳强度为38.3 MPa，冲击后的疲劳强度为52.8 MPa，疲劳强度提高了37.5%，在同等的应力下，其疲劳寿命提高了58～65倍. 超声冲击后，镁合金接头的疲劳性能得到了很大的提高，表明超声冲击处理是提高镁合金对接接头疲劳性能的一种有效的手段.

(2) 经过超声冲击后，接头的焊址及其附近区域发生了明显的塑性变形，变形层厚度约为70 μm，焊趾表层形成了纳米晶组织. 此外超声冲击增大了焊趾处的过渡半径，降低了接头的应力集中；同时还降低了焊趾及其附近区域的残余拉应力，甚至将残余拉应力转变成为了压缩应力. 上述原因都对MB8镁合金对接接头的疲劳寿命起到积极作用.

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收稿日期：2014-11-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51265013); 江西省自然科学基金资助项目(20151BAB206007)

作者简介：于影霞,女,1964年出生,硕士,副教授,硕士研究生导师. 主要从事焊接结构强度与断裂方面的科研和教学工作. 发表论文30余篇. Email: [e-mail]