AZ31镁合金及其TIG焊接接头断裂机理研究

第38卷增刊3 稀有金属材料与工程 V ol.38, Suppl.3 2009年 12月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING December 2009

收稿日期：2009-08-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50675148）

作者简介：张红霞，女，1968年生，博士生，副教授，太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原 030024，电话：0351-*******，

E-mail: hongxzhang@https://www.360docs.net/doc/049875724.html,

AZ31镁合金及其TIG 焊接接头断裂机理研究

张红霞，王文先，苏娟，李晋永，慕伟

(太原理工大学，山西太原 030024)

摘要：对AZ31镁合金及其焊接接头进行拉伸、冲击和疲劳试验，分析了镁合金的断裂机理及疲劳裂纹扩展方向。母材拉伸试验结果表明，试样几乎没有缩颈，抗拉强度为236.29 MPa ；焊接接头的抗拉强度为185.68 MPa ，拉伸断裂从焊接接头焊趾部位启裂，抗拉强度为母材的78%。冲击试验在–80~340 ℃进行，结果表明，在较低温度下AZ31镁合金冲击韧性较小，断口为准解理形貌的脆性断裂；随着温度的增加，断裂形式由准解理+韧窝形貌的混合断裂过渡为韧性断裂；在常温下焊缝中心的冲击韧性比母材的高，但热影响区的冲击韧性较差。AZ31B 镁合金母材的疲劳强度为66.72 MPa ，对接接头的疲劳强度为39.00 MPa ；母材疲劳断口由解理台阶组成，为脆性断裂；焊接接头疲劳断口由解理和准解理台阶组成，为脆性断裂。

关键词：AZ31镁合金；焊接接头；准解理；脆性断裂

中图法分类号：TG146.2 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2009)S3-186-05

镁合金是工业应用中最轻的金属结构材料之一，具有密度小、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性、抗震性、阻尼性好及易于机械加工等优点[1,2]。因此，镁合金是目前被国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，广泛应用于航空、航天、汽车、电子、通讯和家电等行业以及相关的新兴技术领域[3]。

冲击载荷及变幅载荷作用下的失效为镁合金及其焊接接头主要失效形式，因此研究镁合金及其焊接接头的断裂行为、断裂机理极其重要，也是镁合金焊接结构工程应用中迫切需要解决的关键技术问题。变形镁合金具有比铸造镁合金更高的强度、延伸率等力学性能，同时具有较好的耐腐蚀性及疲劳性能[4,5]，得到了广泛应用。本研究对轧制AZ31镁合金及其焊接接头的拉伸断裂、冲击断裂及疲劳断裂等性能进行分析，并对其断裂机理进行初步探讨。

1 实验

试验材料均采用轧制态AZ31镁合金板材，板厚8~10 mm ，其化学成分见表1。

表1 AZ31镁合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions of AZ31 magnesium alloy (ω/%)

Element Al Zn Mn Fe

Ni Si Be Mg Content 3.22 1.15 0.4 0.001 9 0.001 1

0.000 51

0.0133

0.000 06

Bal.

本试验中的AZ31镁合金焊接接头采用TIG 焊接方法进行焊接，焊接工艺参数见表2。焊前对试件表面的氧化物采用机械方法清理，焊接时注意试件不能有较大变形。焊件焊后无须热处理，只需进行焊后表面清理。

拉伸试验使用8 mm 厚的拉伸试板，采用机械加工方法加工而成，试样尺寸为190 mm×65 mm×8 mm 。对接接头采用焊接后加工成尺寸与母材相同的试样。

表2 焊接工艺参数

Table 2 Welding technological parameters Welding current, I /A Welding voltage, U /A Welding speed, ν/mm·min -1 130~150 22~24 64~82

冲击试样中心部位开夏比V 型缺口，由于板厚小于10 mm ，选用55 mm×10 mm×7.5 mm 的小尺寸冲击试样。焊接接头冲击试验分3组进行，分别为缺口开

增刊3 张红霞等：AZ31镁合金及其TIG焊焊接接头断裂机理研究·187·

在焊缝中心、熔合线和热影响区3组，每组3个试样，结果取其平均值。

镁合金疲劳试验选用10 mm厚的轧制AZ31B镁合金板，经机械加工直接成形，试样形状和尺寸如图1所示。

图1 母材及焊接接头疲劳试样形状及尺寸Fig.1 Version and size of fatigue specimen: (a) base metal and (b) welding joint

使用CMT5105型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，试验机最大工作载荷为100 kN，本试验拉伸速率为3 mm/min。

试验所用设备为PLG-200D高频拉压疲劳试验机。采用的载荷类型为拉-拉载荷，应力比r=0，加载频率f=99~102Hz。对AZ31B镁合金母材进行了8组试验。

2 试验及结果

2.1 镁合金及焊接接头组织分析

对AZ31B镁合金板材截面进行组织分析，金相组织照片如图2所示。图中可发现材料晶粒大小不均匀，并在晶内和晶界有析出物存在。

图2 镁合金母材金相照片

Fig.2 Magnesium alloy microscopic structure

AZ31B镁合金焊接接头金相组织如图3所示，图3a为焊缝中心，图中可以看出焊缝中心晶粒尺寸比较均匀，具有典型的铸造组织特征，晶粒内部有析出物存在。图3b为焊缝热影响区金相照片，可以看出热影响区组织较焊缝中心的粗大，并且晶粒大小不均匀。

2.2 拉伸试验及结果

母材及焊接接头拉伸过程中没有发现明显的截面收缩，拉伸曲线见图4。母材的静载抗拉强度为236.29 MPa；焊接接头断裂于焊缝的焊趾部位，静载抗拉强度为185.68 MPa。焊接接头的静载抗拉强度约为母材的78%。由于焊接接头在焊接热循环作用下，焊缝附近组织受到焊接热过程的影响，其组织和性能等发生了变化，焊缝中心和热影响区的晶粒均比母材的粗大，根据Hall-Petch公式，焊接接头的静载抗拉强度有所下降。

图3 镁合金焊接接头金相组织

Fig.3 OM images for welding joint of magnesium alloy:

(a) welding center and (b) HAZ

图4 镁合金母材焊接接头拉力-变形曲线

Fig.4 Stress-deformation curves of magnesium

alloy

and its welding joint

2.3 冲击试验结果及断口分析

2.3.1

母材冲击试验

本试验中冲击试验的温度范围为–80~340 ℃，冲击试验结果如表3所示，对冲击试验断口进行宏观和微观分析，结果如图5所示。

由表3可以看出，镁合金冲击吸收功和冲击韧性随着温度的增加而增加，在–80~80 ℃温度范围内，AZ31镁合金冲击吸收功较小，冲击韧性为5.48~8.75 J·cm-2，在80~260 ℃温度范围内，冲击韧性为8.75~ 17.41 J·cm-2。超过260 ℃后，冲击韧性又有所下降。

宏观断口观察可以看出镁合金在低温冲击时，试样断口平齐，几乎无变形，断口中无剪切唇和纤维区，几乎全部为放射区；随着温度的增加(80 ℃)，断口中变形量增加，纤维区随着温度的增加也越来越大。

冲击断口的微观SEM结果表明，在–80~80 ℃温

a b

0369121518

Deformation, ?L/mm

Ｆ

Base metal

Welding joint

·188· 稀有金属材料与工程第38卷表3 Charpy V 型缺口试样冲击韧性

Table 3 Impact toughness of Charpy V type notch specimen

Temperature/ ℃ Impact absorbing

energy, A kv /J

Charpy V-notch toughness, a kv /J·cm -2–80 3.29 5.48 –40 3.92 6.54 0 3.92 6.54

20 4.81 8.01

80 5.25 8.75 140 7.52 12.50 200 10.46 17.44 260 10.45 17.41 300 7.01 11.69 340 8.91 14.85

图5 镁合金母材冲击断口形貌

Fig.5 Impact fracture of magnesium alloy: (a) T =–80 ℃,

(b) T =0 ℃, (c) T =80 ℃, and (d) T =260 ℃

度范围内，断口为准解理形貌的脆性断裂；在80~260 ℃温度范围内，断口为准解理＋韧窝形貌，为韧脆混合断裂特征；在200~260 ℃温度范围内，断口为韧窝＋准解理形貌的韧性断裂；在260 ℃以上，冲击韧性又有所下降，AZ31镁合金有软化倾向，断口形貌仍以韧窝为主。因此，AZ31B 镁合金母材在低温下冲击韧性较低，冲击断裂为脆性断裂，高温下随着温度的升高，冲击韧性逐渐增大，断裂形式逐渐由脆性断裂向韧性断裂过渡。

2.3.2 焊接接头冲击试验结果

本试验选择焊接电流为130 A 的单层焊缝对接接头，在焊缝中心、熔合线和热影响区位置开夏比V 型缺口，对常温时的缺口冲击断口进行分析，表4为焊接接头缺口冲击试验结果，图6为对接接头断口的SEM 照片。由表4可知焊接接头的缺口冲击韧性为焊缝中心最高，熔合线和热影响区的较低。焊接热影响区组织晶粒尺寸较大，所以承受冲击载荷的能力降低，

冲击吸收功和冲击韧性比焊缝中心的要小。

图6a 为焊缝中心开V 型缺口的冲击断口微观形

貌，可以看出，断口由解理台阶组成；图6b 为缺口在焊缝热影响区的冲击断口微观形貌，为准解理形貌，缺口开在焊缝中心和热影响区的冲击断裂均为脆性断裂。表4 焊接接头Charpy V 型缺口试样冲击结果 Table 4 Impact results of V type notch specimen of welded joint Notch position Temperature /℃ Impact absorbing energy, A kv /J Charpy V-notch toughness, a kv /J·cm -2

Welding

center 20 5.05 8.42 Welding line 20 4.95 8.26 HAZ

20 4.83

8.05

图6 焊接接头冲击断口

Fig.6 Impact fracture of the welding joint: (a) welding center

and (b) HAZ fracture analysis

镁合金为密排六方结构(HCP)，其晶体的塑性变形能力较差，承受的变形量有限。母材和焊缝在低温下进行冲击试验时，镁合金的变形主要通过在基面{0001}上密排的<1120>方向的滑移和在角锥面{1012}上<1011>方向的孪晶，这些限制了低温时镁合金的韧性[6]，冲击韧性较低。研究表明[7]，高温时棱锥面{1011}<110>滑移及棱柱面{1010}<110>滑移的位错运动方式被激活，塑性大幅度提高，断裂前宏观塑性变形量不同，金属的塑性变形是通过晶体内位错运动和位错增殖来实现的。母材在200~340 ℃冲击断裂主要以此为主。

镁合金焊接接头在焊接过程中，焊缝区金属凝固时焊缝中心冷却速度较快形成由等轴晶组成的急冷组织，晶粒较均匀，其冲击性能较好；母材经过轧制后晶粒大小不均匀，冲击性能较低；而热影响区是典型的过热组织，晶粒较粗大，故其冲击性能较差。 2.4 疲劳试验

疲劳试验结果见表5，由表5可知，母材1-6号

2 mm

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试样疲劳断裂部位均在试件中部标段内，7-8号试样经过5×106

次循环后未断；焊接接头1-7号试样疲劳断裂部位均在焊趾部位，8号试样经过5×106次循环后未断。

2.4.1 疲劳试验结果

根据表5的疲劳数据绘出AZ31B 镁合金母材、对接接头的名义应力S-N 曲线，如图7所示。由图中可知对应于50%存活率母材的疲劳强度为66.72 MPa ，对接接头的疲劳强度为39.00 MPa 。

表5 AZ31B 镁合金疲劳试验结果

Table 5 Fatigue test results of AZ31B

Nominal stress

range, ?σnom / MPa

No. of cycles,

N ×106 /cycles

Breakage positions Number Base metal Butt joint Base metal Butt

joint Base metal Butt joint

100

0.231 0.266 In gage length Weld toe

2 90 55 0.385 0.460 In gage length Weld toe

3 85 50 0.406 0.580 In gage length Weld toe

4 80 50 0.402 0.446 In gage length Weld toe

5 75 45 0.497 1.320 In gage length Weld toe

6 70 40 2.524 2.442 In gage length Weld toe

7 65 35 5.000 3.215 unfaulted Weld toe

8 55 30 5.000 5.011 unfaulted unfaulted

图7 镁合金及焊接接头的S-N 曲线 Fig.7 S-N curve of magnesium alloy and butt joints

2.4.2 疲劳裂纹扩展路径及疲劳断口分析

AZ31B 镁合金试样疲劳裂纹扩展的路径如图8所示。观察产生疲劳裂纹的试样，发现宏观上裂纹扩展路径平滑，但微观下发现裂纹扩展路径曲曲弯弯，有些裂纹分成两岔。

图9为镁合金母材及焊接接头疲劳断口SEM 扫描照片。图9a 为疲劳断口的低倍扫描照片，可以发现镁合金疲劳断口的宏观形貌为河流花样组成的解理断裂，属脆性断裂；图9b 断口中存在撕裂棱，疲劳断口中存在着扇形花样，为解理断裂，疲劳断口上的小断

图8 裂纹扩展路径图

Fig.8 Photograph of crack propagation path: (a) crack branching

and (b) crack propagation path

图9 镁合金母材及其焊接接头疲劳断口形貌

Fig.9 Fatigue fracture appearance of magnesium alloy and its

welding joint: (a) fatigue fracture, (b) tear ridge in fatigue fracture, (c) secondary cracks in fatigue fracture, (d) amplification for c, and (e) welding joint fatigue fracture

面并不与解理面存在确定的对应关系，准解理小断面上有许多撕裂棱，是由许多单独形核的裂纹相互连接时撕裂而形成的，并使准解理面稍稍向内凹陷。由图9c 可以看出疲劳断口中存在着二次裂纹，二次裂纹的扩展方向大致与轧制方向一致，说明在裂纹扩展过程中，断口的周围仍然持续发生着二次裂纹的形变和开裂过程。图9d 为图9c 的区域放大，图中可见镁合金疲劳断口中的疲劳条纹，裂纹条纹中裂纹扩展方向发生改变。图9e 为焊接接头的疲劳断口，断口中存在解

1010

Number of Cycles to Failure N

S t r e s s R a n g

e , ?σ/M P a a b

·190·稀有金属材料与工程第38卷

理台阶，表明焊接接头的疲劳断裂为脆性断裂。

Mg属于密排六方结构，主滑移面为基面，滑移系较少，塑性变形能力差，因此断裂时呈现脆性断裂特征。此类金属的塑性变形取决于c/a(c为点阵的高，a为基面的边长)，Mg的c/a=1.6235，略小于按原子为等径刚球模型计算出的轴比1.633。镁合金疲劳断裂的解理断裂发生在高指数面上，并且裂纹的形态因孪晶和滑移而强烈变化着。疲劳断口主要为准解理断口形貌，有少量二次裂纹存在，为脆性断裂特征。

镁合金疲劳裂纹扩展过程中，组织中的晶粒大小的不均匀引起裂纹分叉，裂纹分叉对疲劳裂纹的扩展产生了阻滞作用，母材的疲劳强度较高；同时焊接接头焊缝中心和热影响区的晶粒比镁合金母材晶粒粗大，也会造成镁合金焊接接头疲劳强度降低。

3 结论

1) AZ31B轧制镁合金金相组织不均匀，晶内及晶界存在析出物，并且镁合金组织沿轧制方向分布明显。焊接接头中焊缝组织较均匀，热影响区组织粗大。

2) 拉伸试验结果表明，母材抗拉强度为236.29 MPa，TIG焊接接头抗拉强度为185.68 MPa，焊接接头抗拉强度为母材抗拉强度的78%。

3) AZ31B镁合金冲击试验结果表明，在–80~80 ℃温度范围内，AZ31镁合金冲击功很小，断口为准解理形貌，为脆性断裂；在80~260 ℃温度范围内，断口为准解理+韧窝形貌，为韧脆混合断裂；在200~260 ℃温度范围内，断口为韧窝+准解理形貌，为韧性断裂；在260℃以上，冲击韧性又有所下降，AZ31镁合金有软化倾向，断口形貌仍以韧窝为主。相同温度条件下，镁合金焊接接头焊缝中心晶粒均匀，冲击韧性高，母材的较低，热影响区的较差。

4) AZ31B镁合金疲劳试验结果表明，母材的疲劳强度为66.72 MPa，对接接头的疲劳强度为39.00 MPa；断口结果表明，镁合金母材断口为河流花样和扇形花样组成的解理+准解理形貌，为脆性断裂特征，断口中存在二次裂纹。焊接接头的疲劳断裂为脆性断裂。焊接接头的疲劳性能较母材的低。

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Beijing: Chemical Industry Press, 2004

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Study on Fracture Mechanism of AZ31 Magnesium Alloy and TIG Welding Joint

Zhang Hongxia, Wang Wenxian, Su Juan, Li Jinyong, Mu Wei

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract: Tension test, impact test and fatigue test were carried on for AZ31 magnesium alloy and its welding joint; fracture mechanism and crack propagation direction were analyzed. Base metal tension test results indicate that there is nearly no necking-down in tension specimen and the tension failure is brittle fracture; welding joint tension test results indicate that crack initiation position is in the weld, tensile strength of welding joints is 78% of the base metal’s. Impact test was tested in –80~340 ℃range, and the results indicate that AZ31 magnesium alloy impact absorbing energy is relatively little at low temperature, the fracture is brittle fracture based on quasi-cleavage fracture; with increase of temperature, fracture mode transits from mixed mode fracture based on quasi-cleavage + dimple to toughness fracture. The fatigue strength of the AZ31B magnesium alloy base metal and the butt joint was 66.72 and 39.00 MPa respectively. Base metal fatigue fractures consist of cleavage plane, and it was brittle fracture. Welding joint fatigue fracture consists of quasi-cleavage and it was brittle fracture.

Key words: AZ31 magnesium alloy; welding joint; quasi-cleavage fracture; brittle fracture

Biography: Zhang Hongxia, Associate Professor, Candidate for Ph. D., College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, P. R. China, Tel: 0086-351-6010076, E-mail: hongxzhang@https://www.360docs.net/doc/049875724.html,