爆炸焊接工艺下铝中间层的性能研究

爆炸焊接工艺下铝中间层的性能研究

1硬铝约束下的韧脆转变材料的内部，尤其是断裂后的应力状态，对材料的耐性有显著影响。块体金属厚度增加、缺口效应等都会通过提高裂纹尖端应力三轴度而引起材料发生脆化。当金属材料塑性变形受到强烈约束时,裂端萌生的微裂纹将保持其锐化形态,并与最大主拉应力共同作用,实现解理扩展,这一约束条件也被称为“RKR模型材料中材料脆性解理断裂的第三个必要条件”。研究表明,即使本征延性的面心立方纯金属铝在两侧强度错配的硬铝约束条件下也会产生明显的韧脆转变现象,见图1。数值分析研究发现,界面约束条件下,中间纯铝层裂端前沿应力场与块体纯金属是截然不同的,其裂端应力三轴度要远远高于后者,纯铝致脆的主要原因就是三轴拉应力极大地制约了材料的塑性变形能力。本文在先前的研究基础上,通过数值模拟对硬铝约束下纯铝韧脆转变实验现象进行了分析,获得了纯铝层裂端解理启裂的约束条件。并通过固溶时效处理改变界面强度错配比,进而改变裂端三轴应力场,对三轴约束致脆现象进行了更加深入的研究。2有限元分析的数值过程层合试样由高纯铝和硬铝板通过爆炸复合方式形成,如图2所示。层合金属及其四点弯曲试样制备过程如图3所示。有限元数值分析以前期研究成果为基础进行(见参考文献)。试样热处理采用可控硅电炉加热,工艺为475℃保温+水淬+72小时自然时效。3结果与分析3.1中间纯铝层应力应变的临界条件对前期研究成果中,四点弯曲试验条件下,层合试样中纯铝层厚度不同时,裂端应力三轴度及主拉应力数值分析结果(见文献)进行规一化处理,可以获得中间纯铝层裂端中心韧带峰值应力三轴度及最大主拉应力与归一化载荷分别具有下列关系:(σmσe)max=5.0−74.151+expJn+1.180.34(1)(σ1σe)max=5.6−336.291+expJn+1.500.31(2)(σmσe)max=5.0-74.151+expJn+1.180.34(1)(σ1σe)max=5.6-336.291+expJn+1.500.31(2)拟合曲线如图4所示。以四点弯曲试验载荷位移曲线上临界启裂点,结合数值计算结果,可以确定与中间纯铝层各厚度相应的归一化载荷,并根据拟合曲线得出相应的应力三轴度及最大主拉应力。名义厚度为0.2mm的中间纯铝层裂端最小层厚达到0.05mm,其断口形貌呈典型的解理形貌(见图1),因此,相应的约束参数就是裂端解理启裂的临界条件。由此,裂端解理约束条件如下:应力三轴度:σm/σe=4.5(3)主拉应力:σ1=550MPa(4)3.2晶粒腐蚀及解理断口分析实验发现,层合试样界面附近基体硬铝及界面纯铝层均具有显著的形变特征,分别如图5所示。电子衍射分析结果表明,中间纯铝层内的各个晶粒均存在显著的{100}〈110〉择优取向。利用15%HF+15%HNO3+45%HCl水溶液对中间纯铝层的解理断口进行了腐蚀,蚀坑如图6所示。发现解理台阶主要是{100}及少量的{110}晶面。将形变织构指数与腐蚀坑特征进行对比分析,可以发现,轧制平面即{100}晶面几乎与界面平行,在弯曲加载条件下该晶面法向具有最大主拉应力,而最大主拉应力就是导致解理的直接因素。3.3界面强度错配比的研究为了进一步研究界面强度错配比及微观组织形貌对中间纯铝层韧脆转变的影响,本文采用热处理手段,改变材料微观组织特性,从而改变界面强度错配比,进一步研究其在中间纯铝层韧脆转变中的作用。固溶温度通过在一系列温度下保温3小时,然后自然时效72小时,根据沿垂直界面方向显微硬度的变化来确定。图7是4个温度处理后显微硬度测试结果,显然,475℃固溶并时效处理后基体硬铝得到极大的强化,而中间纯铝层得到极大的软化,因此,本文以475℃作为固溶处理温度。3.4处理后的性能3.4.1组织变化如图8所示,热处理后中间纯铝层的带状组织完全消除,取而代之的是等轴晶粒组织,而硬铝基体则发生了显著的弥散析出。3.4.2纯铝层和复合涂层的屈服强度如图9所示,热处理后相应的材料拉伸性能发生了显著的变化,纯铝层的屈服强度下降到21.4MPa,而基体的屈服强度则提高了60%,达到293MPa,两者的强度错配比也由热处理前的1.8上升到14.0。表1列出了热处理前后材料组元的性能变化。3.4.3中间纯铝层厚度的影响保温3小时的试样四点弯曲实验载荷-位移曲线如图10所示。与热处理前相比,载荷-位移曲线发生了很大的变化,块体纯金属铝的载荷仍然是一直上升,没有最高点,而层合试样同样具有最高点,随着中间纯铝层厚度的降低,载荷达到最高点后下降的速率也同样是增加的,这显然是强界面约束的结果。但是,明显不同的是,热处理前不论是块体纯金属还是层合试样,载荷达到峰值以前曲线的斜率几乎是一样的,而热处理后,中间纯铝层厚度越小,其斜率越大且逐渐接近热处理前各曲线的斜率,显然,高温处理后中间纯铝层发生了极大的软化,载荷达到峰值以前裂端塑性变形明显增加,即延性增加,而斜率的上升说明,中间纯铝层厚度越小,界面对塑性变形的约束越明显。3.4.4韧性测试分析通过四点弯曲试验分别对保温3小时和6小时的层合试样进行了断裂韧性测试分析,结果如图11所示。与热处理前相比,不论是退火3小时还是6小时,随着中间纯铝层厚度的下降,其临界J积分仍然具有下降趋势,说明界面的约束同样使得中间纯铝层的韧性下降。3.5中间纯铝层断口的测定热处理对四点弯曲试样断口形貌影响比较大。如图12所示,块体纯金属铝及层合试样中厚度为1.5mm,0.8mm的中间纯铝层断口均为均匀韧窝型,只有0.4mm的中间纯铝层断口上发现有少量大的平底韧窝出现。结合上面断裂韧性的分析,可以发现,热处理后中间纯铝层晶粒等轴化实际上减弱了其随厚度变化的韧脆转变趋势,这也说明了细小带状晶粒对中间纯铝层的韧脆转变具有重要的促进作用。3.6裂端应力约束对热处理前后中间纯铝层裂端前沿三轴应力场进行了对比分析。以小比例屈服范围内裂端最大应力三轴度为例,热处理前后裂端应力三轴度由3.5提高到了5.8,可见,热处理后界面强度错配比的提高极大地增加了裂端三轴应力约束,这也是中间纯铝层断裂韧性均低于热处理前的主要原因。4热处理界面效果的影响根据前述中间纯铝层裂端解理启裂的约束条件可以说明,裂端三轴应力的约束对材料的脆化具有重要作用,在界面约束条件下,纯铝发生解理的最大主拉应力不必达到块体材料的理论解理强度。中间纯铝层内晶粒的择优取向使得延性层解理断裂应力表现出显著的各向异性,在垂直界面方向具有最小值,并为该晶面发生解理提供了连续的路径,最终在最大主拉应力的作用下发生解理启裂。热处理以后,各层金属的组织及性能均发生了显著的变化,中间纯铝层晶粒等轴化及软化,明显增加了其塑性变形的能力。而基体材料的强化极大增加了界面强度错配比,并且显著提高了中间纯铝层裂端应力三轴度,后者又极大地约束了材料的塑性变形。这两个因素是相互矛盾的,但是热处理后不同厚度中间纯铝层的断裂韧性均显著低于热处理前这一事实充分说明,界面强度错配对中间纯铝层的脆化起主导作用,起约束作用远远高于组织变化对韧性的贡献。尽管热处理以后,中间纯铝层的断裂韧性显著下降,但其断口却未显示出极端脆化如解理的形貌。这一现象主要是因为热处理后中间纯铝层裂端等效屈服强度显著下降,强度错配比的提高尚不足以使