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納米壓痕儀NHT3 | 焊接的應(yīng)力應(yīng)變研究

安東帕 2021-11-05 | 閱讀：1048

焊接質(zhì)量一般是通過焊縫質(zhì)量好壞來做評定，而焊縫質(zhì)量取決于所焊接的物體、焊接填充物以及所選用的焊接工藝及參數(shù)。為了更好地去優(yōu)化和改善焊接工藝，對于焊縫及其熱影響區(qū)進(jìn)行力學(xué)性能表征是極其有意義的。

對局部彈塑性特性的興趣導(dǎo)致了一種新檢測技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)使用球形壓頭對焊縫及其熱影響區(qū)進(jìn)行局部應(yīng)力應(yīng)變性能表征，加載期間使用振動的壓痕允許非常局部地確定試驗材料的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。簡單的應(yīng)力應(yīng)變分析在Anton-Paar壓痕軟件中實現(xiàn)。該方法可適用于焊縫及其附近不同區(qū)域的局部力學(xué)性能的表征。

焊縫裂紋尖端附近的彈塑性行為研究

納米壓痕儀 NHT3

通過展示儀器化納米壓痕測試方法獲得低合金鋼焊縫中裂紋尖端附近區(qū)域和遠(yuǎn)離裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變行為。焊縫出現(xiàn)裂紋通常是由焊接過程中焊縫快速凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的，或由內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的發(fā)生改變所引起的，導(dǎo)致硬度和屈服強度增加，但抗斷裂性降低。為了了解局部區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變行為，儀器化納米壓痕法是能夠提供此信息的少數(shù)方法之一，局部應(yīng)力應(yīng)變測量的目的是幫助理解焊縫開裂的原因。

圖1 ：靠近或遠(yuǎn)離焊縫裂紋尖端局部區(qū)域的儀器化壓痕測試

使用Anton-Paar納米壓痕儀NHT³搭載半徑為20 μm球型針尖對兩個已經(jīng)存在焊縫裂紋的樣品進(jìn)行測試，以獲得局部的應(yīng)力應(yīng)變行為；與傳統(tǒng)的靜態(tài)測試方法不同的是，在這次的應(yīng)用案例中將采用在加載過程增加正弦波加載方式的動態(tài)測試方法 (Sinus)，選取最大載荷為500 mN，加載卸載速率為1000 mN/min，動態(tài)加載振幅為50 mN，頻率為5 Hz。

圖2：載荷位移曲線

圖3：應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2和圖3顯示了動態(tài)加載測試下獲得的壓痕曲線，以及從兩個區(qū)域的壓痕曲線中獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯隽鸭y尖端附近區(qū)域的屈服強度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離裂紋尖端的區(qū)域。屈服強度的增加通常與延展性的降低有關(guān)，這可能對焊縫的抗斷裂韌性產(chǎn)生至關(guān)重要影響。在外部荷載作用下，靠近裂紋尖端的材料屈服強度增加，往往會出現(xiàn)比基材更早斷裂的情況，因此在整個結(jié)構(gòu)中是個力學(xué)薄弱點。焊縫中的斷裂會導(dǎo)致整個部件失效，因此應(yīng)該去調(diào)整焊接參數(shù)，使裂紋尖端附近的材料具有較低的屈服應(yīng)力和較高的抗斷裂性。

焊接鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變行為研究

儀器化納米壓痕測試方法中應(yīng)力應(yīng)變分析的另一個經(jīng)典應(yīng)用是研究金屬焊縫周圍的彈塑性，尤其是軟金屬，例如鋁合金。鋁合金比鋼對高溫更敏感，因此，研究鋁合金的焊接熱效應(yīng)尤為更重要。在本應(yīng)用所提及的研究中，在加載過程中使用正弦波動態(tài)加載模式，利用球形納米壓痕針尖的特性對兩種不同的鋁合金焊縫附近的彈塑性行為進(jìn)行局部表征。球形納米壓痕針尖用于確定靠近焊縫（區(qū)域A）且距離焊縫約2mm（區(qū)域B）的應(yīng)力應(yīng)變特性。

圖4：對比距離焊縫近的區(qū)域A和距離焊縫2mm處區(qū)域B的應(yīng)力應(yīng)變行為

使用NHT³納米壓痕儀搭載半徑20μm球型針尖作為表征手段，選取的最大載荷為300 mN、加載卸載速率為600 mN/min。在加載過程中采用正弦波的動態(tài)加載模式，振幅為30 mN，頻率為5 Hz。圖4展示了區(qū)域A和區(qū)域B的應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較。

兩個區(qū)域表現(xiàn)出相類似的彈塑性行為，屈服應(yīng)力約為0.3 GPa。這表明焊接過程中加熱和冷卻對材料的彈塑性性能的影響可以忽略不計。然而，并非所有情況下都是如此，焊接區(qū)域的局部應(yīng)力應(yīng)變行為仍然是優(yōu)化焊接參數(shù)的重要信息。

攪拌摩擦焊接鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變研究

攪拌摩擦焊（FSW）通常是鋁合金焊接工藝更好地選擇，而傳統(tǒng)電弧焊由于鋁的高導(dǎo)熱性而容易產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。FSW中的焊接溫度遠(yuǎn)低于中心接觸點，因此熱效應(yīng)的傳導(dǎo)不如弧焊中明顯。在這種情況下，將兩種不同的鋁合金AA6111-T4（T4）和AA6061-T6（T6）焊接在一起，并在距離熔核中心位置的1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm處研究硬度、彈性模量和屈服應(yīng)力。

以下參數(shù)用于壓痕：最大載荷300 mN，加載速率600 mN/min，動態(tài)加載模式下選取振幅30 mN，頻率5 Hz。

圖5的結(jié)果表明隨著距熔核距離的增加，所表現(xiàn)出的應(yīng)力應(yīng)變行為大致一樣，僅存在微小差異。在所有的三個區(qū)域的屈服應(yīng)力大約為0.33 GPa（兩種基材中的屈服應(yīng)力大約為0.27 GPa，圖中未顯示）。母材的硬度為0.8 GPa（T4合金）和1.1 GPa（T6合金）。所有三個區(qū)域（距焊縫熔核1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm）的硬度均為1.1 GPa，這證實焊縫附近的彈塑性能并沒有發(fā)生顯著變化。