铝合金焊接接头低温断裂韧性研究现状

　　摘要：航空航天技术的发展推动着材料低温性能的研究，高性能铝合金材料在低温下的断裂韧性逐渐受到人们的重视。本文介绍了常用的测量断裂韧性的方法及判据，分析了国内外评定铝合金及其接头的断裂性能现状，并提出测试2219铝合金的断裂韧性评定方案。最后指出了我国在评定低温断裂性能方面的不足以及需要改进的方面。

　　关键字：铝合金  焊接接头  低温  断裂韧性

　　序言

随着航空航天技术的飞速发展，对超低温材料的需求日益迫切。如运载火箭液化器容器、液化冷冻机、研究用低温恒温器等，伴随而来的是对超低温用材料要求也越来越严格[1]。在各种材料中，高强铝合金材料具有密度低、无磁性、低温下合金相稳定、在磁场中比电阻小、气密性好、感应放射能衰减快等特性，因而作为一种重要的低温材料被研究和应用[2,3]。

宇航材料中，要求结构非常紧凑，既没有寄生重量，又要保证安全可靠，传统力学强度和韧性指标要求已很难满足要求，基于断裂力学的可靠性评定技术逐渐成为结构评定的发展趋势。但是由于低温实验条件和技术的限制，关于铝合金低温性能评定标准还也不完善，所以高强度铝合金材料低温性能的研究和与可靠性评价技术与低温材料的实际应用很不相称，材料低温断裂性能的研究更少。

焊接是高性能铝合金结构的重要加工手段。焊接接头又是一个存在着力学和几何不均匀性的结构体，裂纹等缺陷容易出现在其焊缝、熔合线和热影响区三个不同位置。焊接接头作为整个焊接结构中薄弱环节，对其低温性能的要求更是关系到整个结构安全可靠性的重要指标。本文重点对铝合金母材和焊接接头的低温断裂性能方面的研究工作进行了综述和分析，并针对2219铝合金的断裂韧性作出了评定方案。

　　1. 断裂力学理论

1.1断裂力学判据

随着近年来断裂力学的进展，在评价结构使用性能时，最适当的量度已变为断裂韧性。在断裂力学上把材料抵抗裂纹扩展的能力称为断裂韧性。在实际工程应用中我们采用那个断裂力学破坏判据？如何应用断裂力学指导选材与测定断裂韧性？这些是必须要首先解决的问题。目前断裂力学断裂判据较多，其特点、出发点各有不同。如线弹性断裂力学（KIC）可以认为是应力判据，裂纹张开位移（COD）可认为是位移判据，J积分可认为是能量判据，塑性区的尺寸ρ可认为是应变判据等。

这些判据在评定结构件有那些问题？采用哪个比较适宜？为此必须了解这些判据的特点、约束条件、优点及不利的地方。线弹性断裂力学适用于平面应变或小范围屈服条件下；对于大范围屈服采用 ， ， 判据，对于全面屈服状态下的 不再成立，只有用 和 ；但是 理论尚不够完善，J积分方法是弹塑性断裂力学中很有前途的方法[4]。

1.2断裂韧性试验方法

现就断裂韧性试验中采用小形试样的试验做些介绍。

（1）       平面应变断裂韧性试验（KIC试验）

    它是一种静态弯曲试验，用特殊的夹式应变计求出缺口部位变位，再按与载荷的关系求KIC值。但此方法，裂纹尖端的侧向收缩必须是平面应变状态。为满足该条件，存在着要比产品使用温度相差较大的低温下进行试验，或是必须采用极大尺寸的试样等问题。此方法采用的试样有三点弯曲试样，紧凑拉伸式样，拱形三点弯曲试样。平面应变标准断裂韧性的测试方法是所有断裂韧性测试方法中精确度最高、数据资料最齐全的。但试样尺寸大，试验周期长，费用高。

（2）       COD试验

它是Cottrell和Wells所独创，不受平面应变状态限制。目前COD的判据已广泛应用于焊接结构抗开裂性能评定中。该方法的试样形状和加载方式虽与KIC试验的情况相似，但由于把试样宽度取为被试验材料的厚度，以及用于断裂韧性计算的载荷值(PQ)的定义没引入等，使试验变得很容易。而且只有把试验后呈脆性的断面看作是有效的，由断裂发生时的夹式应变计的变位(Vc)经计算就能求得COD的换算值。

（3）       JIC试验

与英国COD试验相对应的是美国提出JIC试验。自从J.R Rice提出了J积分后，J积分在断裂力学中得到广泛应用。Begley和Landes根据实验，最早提出J积分断裂准则，而EPRI(美国电力研究院)进一步指出J积分值工程计算方法和评定判据。利用J积分，可以大大减小测试试样的厚度。

1.3 断裂力学实验标准

KIC的测试过去一直沿用美国ASTM E399－72的标准，我国1979年制定了冶标YB947-78“金属材料平面应变断裂韧性KIC的试验方法”的标准，并在国内广泛试行。1984年我国制定了等效于美国的同类标准，即GB4161-84“金属材料平面应变断裂韧性KIC试验方法”。

英国机械工程工业标准会议在1972年颁发了DD19裂纹张开位移(COD)试验方案草案。我国80年也制定了相关标准，GB/T 2358-80“裂纹张开位移(COD)试验方法”。相关标准还有美国ASTM E1290 -02e1。我国JB/T4291-86中，制定了焊接接头裂纹张开位移(COD)试验方法。

对于JIC的测试，我国有标准GB/T2038-91“金属材料延性断裂韧度JIC试验方法”。美国ASTM E 813-1989“JIC断破裂韧性的试验方法”，后经过补充和完善，最新版本为ASTM E1820-2006e1。

随着断裂力学学科的发展和应用，不少国家均都制定颁布了断裂力学参量KIC，COD，JIC的测试标准。国际标准化组织也制定了相关标准，如ISO 12135-2002 “金属材料准静态断裂韧性测定的统一试验方法”。近几年，英国焊接研究所提出了BS7448标准，即“测定金属材料KIC、极限COD和极限J积分值方法[5]”，该标准把KIC、COD和JIC三个断裂力学参量的测试统一起来，受到了国际焊接学会的重视，并予以推广应用。现已被国际标准局采纳，编号为ISO/TC164/SC4-N400[6]。 

各种断裂参量的联系如下：

用 估计 的公式为：

  （平面应力状态）； （平面应变状态）

这些关系只有在线弹性条件下， 等于能量释放率 时才严格成立。在这个区域，对式样尺寸有适当的限制，用 （平面应变状态）表达比较合适。

用 估计 的公式为

参数 为约束因子，且1< <2.

所以由以上式子可以得出

式中 为无量纲常数，对于大范围屈服，1< <2.

 

前面的试验KIC，COD，JIC除在静态载荷外，也在动态载进行。这些试验称为动态断裂韧性试验，但试验装置较复杂。除此之外，还有很多其他试验方法，如类似却贝试验的Lzod试验和施奈特试验等，但很少被使用。另外，还有曾流行一时的卡亨、蒂普尔、范德文、柯马勒及利海等试验方法[7]。

2. 断裂韧性研究现状

许多铝合金是在低温下工作的，因此必须知道它们在低温下的断裂韧性。表一为俄罗斯某机构对2024和2124合金的断裂韧性的测试数据[8]。

表一2024和2124合金半成品在常温和低温下断裂韧性参数

合金

半成品类型

取样方向

试验温度℃

KIC公斤/毫米3/2

2024T

挤压带材

（65×200mm）

纵向

20

-196

120.0

180.0

宽向

同上

99.0

116.0

高向

同上

94.0

98.0

2124

挤压带材

（65×200mm）

纵向

20

-196

148.0

197.0

宽向

同上

105.0

138.5

高向

同上

96.0

105.0

2024T1

挤压带材

（65×200mm）

纵向

20

-196

140.0

169.0

高向

同上

 

64.7

62.5

2024

未再结晶带材

（12×75mm）

纵向

20

-196

121.0

143.0

再结晶带材

（12×75mm）

纵向

20

-196

135.0

161.0

2024-T851

厚板

（B＝35mm）

纵向

24

-80

-196

71

77

78

此项试验为了弄清KIC随温度降低的真实变化情况，对每一种合金状态取2~3个试样，通过对一个试样进行多次测量断裂韧性的方法试验两次。首先测定室温下的KIC至断裂前，在试样中重新制造疲劳裂纹，然后在-196℃的液氮中进行试验。

由表所示结果可以看出，与半成品的种类和压力加工方法（截面为65×200和12×75mm的挤压带材，35mm的厚板）、合金的纯度（杂质Fe、Si分别<0.01）、热处理方式（人工和自然时效）、取样的方向（纵向、宽向和高向）以及淬火后时效前的拉伸矫直（T851）无关，KIC值随温度的降低而增加。

常用铝合金结构材料的断裂韧性KIC一般可以由手册中查出（一般是常温下），而对于焊缝中心、热影响区和熔合线区材料的KIC则须通过实验测定。

文献[9]对贮箱板材LD10铝合金及其焊件的断裂韧度JIC进行了试验和研究。由于所测铝合金板材厚度为13mm，由于板材较薄不满足平面应变状态，所以采用J积分法测定了JIC。作者采用三点弯曲试样,裂纹由线切割而成,分别开在母材、焊缝及热影响区。裂纹在焊缝和热影响区的位置参考BS7448: 1997-PartⅡ。实验过程按GB/T 2038-1991在进行。加载完再卸载后将试样压断，根据载荷位移曲线计算裂纹扩展量△a和断裂韧度 ，再根据经验公式J=C1ΔaC2拟合，Δa=0.20mm偏置线的交点就是所要测定的JIC。最后做JIC的有效性判断。结果表明) LD10铝合金热影响区的试样裂纹顶端发生了大范围的钝化,抗撕裂能力极好,断裂韧度JIC是母材的1.7倍，这是因为焊接中热的影响，使材料结构发生变化。LD10铝合金焊缝的断裂韧度比母材要低，焊缝中存在杂质和气孔等缺陷。

文献[10] 针对推进剂贮箱结构中的未穿透裂纹，利用断裂理学理论求出裂纹前缘应力强度因子KI，然后对焊接试样分别选择焊缝中心、熔合线及热影响区三种典型位置预制表面裂纹，求出KIC，比较大小。

文献[11]采用表面裂纹法，利用自行研制的低温多试样拉伸装置，研究了航天铝合金材料的焊缝在低温（20K）的断裂性能。该试样是在焊缝表面开一个椭圆形缺口，通过控制疲劳过程，得到合适的表面裂纹。然后再经过加载、控温、采集等几部分。最后得到的是试件伸长量与应力的关系曲线，而不能直接得到裂纹张开位移与应力的关系曲线。

文献[12]分析了高组配和低组配的焊接接头与全母材和全焊缝的断裂韧性。通过J积分测试结果表明对于9Cr-1Mo，2-1/4Cr-1Mo和BX52为母材的低组配焊接接头的J积分参量依照全母材、焊接接头和全焊缝的次序依次递减,而高组配则与低组配正好相反，并且焊缝宽度的增加，材料组配焊接接头的J积分值与其全母材的结果差别增加,而与全焊缝材料结果的差别在逐渐减小。

对于焊接接头断裂韧性的研究还不够透彻，尤其是低温下的性能，有待进一步研究。

　　3．2219铝合金焊接结构低温断裂韧性试验方案

热处理强化的2219铝合金是用于航天产品的轻质高强结构材料，工作温度范围可达-250℃~+250℃。早在二十世纪六十年代，美国就开始研究使用2219铝合金作为运载火箭低温燃料贮箱。俄罗斯“能源号”运载火箭贮箱的结构材料即是与2219铝合金成分和性能相近的1201铝合金（俄罗斯铝合金编号）。在航天领域，可靠性和安全性是最要的指标。只有全面掌握合金的力学性能数据并加以分析，才有安全保障。我国暂时还缺乏全面的关于2219铝合金力学性能的测试数据，因此有必要对低温材料2219铝合金及其焊接接头的力学和断裂力学性能进行测定。

目前运载火箭贮箱拟采用2219铝合金，焊接方法主要包括熔焊方法和摩擦焊方法，针对不同状态的2219铝合金母材和焊接接头进行断裂力学评定。

对于以上测试工作，应在材料一定，焊接方法一定的情况下，测定板材和焊接接头各个温度的各种力学性能参数。对其低温断裂韧性评定方案有如下几步：

（1）       选择参考标准

对于断裂韧性评定标准，我国发展得还不是很健全。对铝合金母材，可参考国家标准GB/T 2038-1991“金属材料延性断裂韧度JIC试验方法”；GB4161-84“金属材料平面应变断裂韧性KIC试验方法”。对于焊接接头的测定，我国还没有制定相关标准，更没有低温下的断裂韧性测试标准。英国标准BS 7448-1997“测定金属材料KIC、极限COD和极限J积分值方法”对常温下焊接接头的断裂韧性试验做出了相关规定，并且被ISO收录。

（2）       选择试验方案

由于拟测试的铝合金板厚较薄，不符合平面应变状态条件，所以只能通过J积分方法来测试母材和焊接接头的JIC。至于其KIC的值，可以参考BS7448标准中JIC和KIC的关系，计算出KIC。测定母材在低温下的的JIC，可以参考GB/T 2038-1991，但是此标准中并没有规定是适用温度。对于焊接接头焊缝、热影响区和熔合区的JIC的测定，国内没有可供参考的标准，参考标准有英国标准BS 7448-1997，尽管此标准依然是没有特别指出可以在低温下应用。

（3）       数据分析方法

测出母材和焊接接头的断裂韧性数据之后，需要对数据进行整理分析。我们可以在多试样试验结果中计算得到一个平均值，但是这并不能真正反映铝合金材料及其焊接接头的断裂力学性能。从数学理论上讲，只有50%的可靠度。在航空航天领域，对于材料的可靠性要求极为苛刻。50%置信度只能满足我们对材料的最基本的认识。因此对运载火箭贮箱的材料2219铝合金的断裂性能分析，我们需要掌握95%，甚至更高98.5%的置信度。因此还需要对数据用数理统计的方法进行分析。

　　结束语

力学性能测试是任何一种焊接结构件使用前必须进行的工作，尤其对于在航空航天上用到的焊接结构。传统力学性能指标强度和韧性指标不能满足现代对材料越来越严格的要求了，对其断裂韧性的测试随着断裂力学的发展逐渐受到重视。

金属结构材料和焊接接头拉伸性能的测试，我国早在80年代就制定了国家标准，并于近几年进行了完善。但是对于金属结构材料的断裂韧性测试的标准发展的不是很完善。随着低温技术在航天、核物理、电子工程中的广泛应用，我国应加强对低温材料的断裂韧性测试的评定技术。这样才能更好的推进低温材料的广泛应用。焊接作为一种重要的加工手段，对容易出现缺陷的焊接接头的评定工作也应提上日程。我国目前还没有关焊接接头断裂韧性测试的相关标准，英国BS 7448标准中没有说明低温下测定工作中应注意的事项。所以我国科技工作者和广大研究人员应加强对断裂韧性知识的学习研究，尽早制定出自己的标准。

参考文献

[1]管野椅宏[日]，张兴仁译． 超低温用高强度高韧性铝合金的开发[J]．1991年，37-48．

[2] Shigeoki SAJI et al．Mechanical properties of aluminum alloys at very low temperature． Light Metal(Japan) ,1989:39(8):574．

[3]Yoshimitsu． Miyagi et al． Characteristics and application of aluminum alloys at cryogenic temperature．R & D Kobe Steel Engineering．  Reports (Japan),1984:34(3):67．

[4]Begley, J．A．Landes, Fracture and Toughness, ASTM STP 514(1972) ,1-20．

[5]BS 7448:Part4, 1997,Method for determination of fracture resistance curves and initiation values for stable crack extension in metallic materials [S]．

[6]霍立兴． 焊接结构的断裂行为及评定[M]． 北京:机械工业出版社, 2000．

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[8]库德良绍夫、斯莫连采夫[苏联]，高云震等译．铝合金断裂韧性[M]．北京：冶金工业出版社，1980．116-118．

[9] 杨海生、常新龙．用三点弯曲试样测定LD10铝合金断裂韧度JIC[J]．理化检验-物理分册，2005，41(5)：226-229．

[10] 袁杰红、唐国金、 周建平，等．断裂力学在推进剂贮箱安全评定中的应用[J]．强度与环境， 1999，（1）：30-36．

[11]涂志华、张忠、赵立中，等．含表面裂纹铝合金焊缝低温断裂性能[J]．实验力学，1996， 11(1)：84-89。

[12]张敏、林香祝、徐世珍，等．焊接接头断裂性能的试验研究[J]．机械强度，2003，25(1)：85-89．

   作者简介：彭杏娜（1983-），女，材料加工工程专业，北京航空航天大学在读硕士研究生。主要研究方向是材料的先进连接技术。电话：13810109440，E-mail：pengxingna2325@163.com

Study of Fracture Toughness of Aluminum Alloy and Its Welding Joint at Cryogenic Temperature

Peng Xingna   Zhang Guohua   Qu Wenqing

School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing, China,100083

ABSTRACT:  As the development of aeronautic and astronautic techniques, the mechanical properties of structural materials at cryogenic temperature are studied more and more. People pay more attention to the fracture toughness of Al alloy at cryogenic temperature. This paper introduced manners of measuring fracture toughness, analyzed the present evaluation of fracture toughness of aluminum alloy and its welding joint, and proposed scheme of evaluation of the fracture toughness of 2219 Al alloy. In the end, it was stated that there were a lot of deficiencies in evaluation of the fracture toughness at cryogenic temperature in our country.

KEYWORDS:Aluminum alloy; Welding Joint; Cryogenic temperature; Fracture toughness

来源:中国焊接信息网