一种获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头疲劳小裂纹萌生及扩展形貌的实验方法

摘要

一种获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头疲劳小裂纹萌生及扩展形貌的实验方法，涉及机械结构疲劳领域。疲劳试验前，在显微镜下观察并选择拍摄板件四个面特征显微结构的初始形貌。进行连续疲劳和中断疲劳试验。中断疲劳试验每隔一定的循环间隔卸载并卸件，重点观察划痕、孔洞以及强化颗粒聚集处等特征显微结构区域，一旦这些区域或其他区域在10倍物镜下呈现周围颜色变深变暗时以及在40倍物镜下出现滑移带处，初步确认为小裂纹可能的萌生点。对已产生的小裂纹形貌以及扩展过程进行拍摄。找出扩展速率比其他小裂纹快的裂纹，预测可能的主裂纹。测量裂纹长度，根据割线法计算扩展速率。根据扩展速率，确定铝合金板件疲劳小裂纹阶段的临界尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及机械结构疲劳领域，提出了一种获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头疲劳小裂纹萌生及扩展形貌的实验方法。

背景技术

根据统计数据得出，对于焊接来说接头是整个结构中最薄弱的环节,焊接结构的主要失效形式是疲劳断裂。其中，小裂纹的萌生及扩展阶段大约占疲劳寿命的70％～80％。而且对于铝合金板件焊接接头来说，疲劳板件的四个面都可能萌生疲劳小裂纹，尤其是侧面和正面。金属板件经过疲劳裂纹萌生和扩展阶段，主裂纹最终导致试件的断裂。由于主裂纹不仅可能在正反面产生，也容易在侧面产生，而侧面裂纹萌生微观特征和扩展形貌变化受疲劳试验机空间及试样尺寸限制用在线手段可靠获取非常困难。因此，有效获取铝合金板件四个面的疲劳小裂纹的萌生和扩展形貌，进一步研究小裂纹的扩展机制对于铝合金搅拌摩擦焊结构件的安全应用具有重要意义。

发明内容

针对上述试验方法中存在的问题，本发明提供一种有效地获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头四个面小裂纹萌生和扩展形貌的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头疲劳小裂纹萌生及扩展形貌的实验方法，包括以下步骤：

步骤(1)：对采用相同焊接参数进行搅拌摩擦焊焊接并线切割得到的连续疲劳和中断疲劳试验用的铝合金板件进行表面处理，具体步骤如下：

(1.1)先用砂纸对板件的左右侧面进行人工打磨，再在磨抛机上用砂纸对板件的正反面和左右两侧面进行抛光；每更换一道砂纸，打磨方向与上一道砂纸的打磨方向成90°，使前一道的磨痕彻底去除；

(1.2)对板件的正反面采用金刚石抛光膏在磨抛机上抛光，去除细微划痕，直到表面成为无划痕的光滑镜面为止；

(1.3)用Keller试剂对板件进行金相腐蚀，腐蚀时间为10～20s，腐蚀之后用清水冲洗并吹干；

步骤(2)：在疲劳试验前，将板件横向放置在显微镜的载物台上，并在金相显微镜下先选择10倍物镜按序观察铝合金板件的正反表面及左右侧面，对每个区域有划痕、孔洞以及强化颗粒聚集处等易发生裂纹萌生的特征，再选择40倍物镜拍摄其初始显微形貌，并记录区域位置，用于与疲劳试验后板件表面形貌作对比；正反面和左右两侧面观察拍摄均从板件长度方向的一端开始，向另一端折形步进，同时沿板件宽度方向的一端到另一端进行折线式往复观察及选择拍摄；

步骤(3)：取经过步骤(1)和步骤(2)的一个试件A，在疲劳试验机上进行连续疲劳试验，记录板件的疲劳寿命和断裂位置；

步骤(4)：取经过步骤(1)和步骤(2)的另一个试件B，在疲劳试验机上进行中断疲劳试验，加载参数与步骤(3)连续疲劳试验相同，但每循环一定的次数停机一次，记录和拍摄实验，循环间隔根据步骤(3)连续疲劳试验所得的疲劳寿命确定,确保中断试验结束后获得20～30组实验数据；在夹具和板件上用记号笔标记装夹的位置，每停机一次卸载并卸件，以便于观察表面显微形貌的变化；

步骤(5)：对试件B捕捉裂纹萌生形貌及区域来说，每次卸件后分别在10倍和40倍物镜下对板件的四个表面从板件长度方向的一端开始，向另一端折形步进，按板件宽度方向的一端到另一端进行折线式往复观察并选择拍摄；重点观察划痕、孔洞以及强化颗粒聚集处等特征显微结构区域，一旦这些区域或其他区域在10倍物镜下呈现周围颜色变深变暗时以及在40倍物镜下出现滑移带处，初步确认为小裂纹可能的萌生点，拍照并记录所在区域位置；对板件侧面抛光困难、不容易得到无划痕的光滑镜面的左右侧面，在40倍物镜下还需要重点观察侧面焊核区与热机影响区交界的流线处以及侧面没有打磨成光滑镜面的凹凸粗糙区域等小裂纹可能的萌生点点；当从这些小裂纹可能的萌生点开始出现小裂纹时，在40倍物镜下拍摄并记录所在区域位置，然后，装夹铝合金板件继续进行中断疲劳试验；每次装件时在夹具和板件标记的对应位置进行装夹，以确保每次装夹位置相同；

步骤(6)：对捕捉裂纹扩展形貌来说，每次卸件后从板件长度方向的一端开始折形步进，按板件宽度方向的一端到另一端，先在10倍物镜下一边找到板件四个表面已产生的所有小裂纹，一边寻找新的小裂纹可能的萌生点；然后在40倍物镜下对已产生的小裂纹形貌进行拍摄，同时拍摄新的小裂纹可能的萌生点，并记录其各自位置；结合其中前后两次中断疲劳试验拍摄的金相图片，对同一位置的显微形貌进行前后对比，当小裂纹形貌和长度在上一次的基础上有延伸时，确定为小裂纹开始扩展；板件的侧面为梯度分区，针对板件侧面萌生的小裂纹在垂直于加载方向扩展时易从一个区域延伸至另一个区域扩展，拍照并记录侧面扩展的小裂纹每次延伸到达的区域位置和对应的循环次数，根据所在区域将金相照片分组保存；拍照记录裂纹尖端遇到显微结构时裂纹扩展路径受到促进或阻碍以及裂纹走向的变化，以便于分析显微结构对裂纹扩展的影响；

步骤(7)：记录所有小裂纹的扩展情况；结合其中前后两次中断疲劳试验拍摄的金相图片，对同一小裂纹在40倍物镜下的显微形貌进行前后对比，重点找出扩展速率比其他小裂纹快的一条或几条裂纹，预测可能的主裂纹，并重点记录侧面每条小裂纹的扩展情况，以免板件侧面宽度过窄而使侧面小裂纹比正反面小裂纹率先导致板件断裂；

步骤(8)：从步骤(4)的中断疲劳试验到步骤(7)进行重复，直至板件断裂，记录最后导致板件断裂的一条或几条主裂纹；运用图像测量软件SuperImage对照片中所有的裂纹长度进行追踪测量，采用40倍物镜拍摄的裂纹图片来测量裂纹长度；当裂纹长度超出一张照片的容纳范围时，寻找裂纹上的某一参考点对裂纹长度进行拼接累加；当裂纹扩展路径弯曲而不能直接测量时，将裂纹分成若干线段进行累加得到最终的裂纹长度，使测量更精确；

步骤(9)：根据割线法计算不同循环数下的裂纹扩展速率，计算公式为：

其中，ΔN和Δa为循环区间和裂纹长度，a_i是在循环次数为N_i时的裂纹长度；

步骤(10)：当循环次数超过疲劳寿命的50％后，选出裂纹扩展速率至少连续两次上升且上升时期的扩展速率超过之前扩展速率平均值的2倍时所对应的裂纹长度，确定铝合金板件疲劳小裂纹阶段的临界尺寸。

本发明选取板件表面裂纹萌生点形貌捕捉方法的创新，在于能观察板件四个表面显微形貌的变化，重点观察划痕、孔洞以及强化颗粒聚集处等特征显微结构，一旦这些区域或其他区域在10倍物镜下呈现周围颜色变深变暗时以及在40倍物镜下出现滑移带处，初步确认为小裂纹可能的萌生点，拍照并记录所在区域位置。当从这些可能的裂纹萌生点开始出现小裂纹时，在40倍物镜下拍摄并记录所在区域位置。

本发明选取板件侧面裂纹萌生点形貌捕捉方法的创新，在于搅拌摩擦焊板件侧面抛光困难不易得到无划痕的光滑镜面，在40倍物镜下除了观察颜色变深变暗的特征显微结构还需要重点观察侧面焊核区与热机影响区交界的流线处以及侧面没有打磨成光滑镜面的凹凸粗糙区域等可能的裂纹萌生点。

本发明对侧面小裂纹扩展形貌捕捉的创新，在于在10倍物镜下找到板件四个表面已产生的所有小裂纹，然后在40倍物镜下对已产生的小裂纹形貌进行拍摄。搅拌摩擦焊板件的侧面为梯度分区，针对板件侧面萌生的小裂纹在垂直于加载方向扩展时易从一个区域延伸至另一个区域扩展，拍照并记录侧面扩展的小裂纹每次延伸到达的区域位置和对应的循环次数。重点记录侧面每条小裂纹的扩展情况。以免板件侧面宽度过窄而使侧面小裂纹比正反面小裂纹率先导致板件断裂。

本发明对确定铝合金板件疲劳小裂纹阶段的临界尺寸的创新，在于当循环数超过疲劳寿命的50％后，选出裂纹扩展速率至少连续两次上升且上升时期的扩展速率超过之前扩展速率平均值的2倍时所对应的裂纹长度，确定铝合金板件疲劳小裂纹阶段的临界尺寸。

有益效果

本发明提供了一种能有效地获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头四个表面小裂纹萌生点和扩展形貌的实验方法，进一步研究了小裂纹的扩展机制并提出了确定铝合金板件疲劳小裂纹临界尺寸的方法。可更加准确获取小裂纹，改进了试验方法，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的试验流程图。

图2为本发明的对板件各个表面的观察及拍摄顺序示意图。

图3为本发明中10倍物镜下铝合金板件搅拌摩擦焊接头小裂纹萌生点的形貌。

图4为本发明中的焊核区与热机影响区交界的流线。

图5搅拌摩擦焊板件侧面的梯度分区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明并不限于以下实施例。

参照图1至图3，一种获取铝合金板件搅拌摩擦焊接头疲劳小裂纹萌生及扩展情况的实验方法，其步骤为：

步骤(1)：对采用相同焊接参数通过搅拌摩擦焊焊接并线切割得到的连续疲劳和中断疲劳试验用的铝合金板件进行表面处理，具体步骤如下：

(1.1)先用砂纸对板件的左右侧面进行人工打磨，再在磨抛机上用砂纸对板件的正反面进行抛光。采用的砂纸型号依次为400#、800#、1200#、2000#、3000#、4000#。每更换一道砂纸，打磨方向与上一道砂纸的打磨方向成90°，使前一道的磨痕彻底去除。

(1.2)依次对板件采用粒度为2.5μm、1.5μm、1μm、0.5μm的金刚石抛光膏对板件的正反面在磨抛机上抛光，去除细微划痕，直到表面成为无划痕的光滑镜面为止。

(1.3)用Keller试剂对板件进行金相腐蚀。腐蚀时间为10～20s，腐蚀之后用清水冲洗并吹干。

步骤(2)：在疲劳试验前，将板件横向放置在显微镜的载物台上，并在金相显微镜下先选择10倍物镜按序观察铝合金板件的正反表面及左右侧面，对每个区域有划痕、孔洞以及强化颗粒聚集处等易发生裂纹萌生的特征，再选择40倍物镜拍摄其初始显微形貌，并记录区域位置，用于与疲劳试验后板件表面形貌作对比。四个表面的观察拍摄均从板件长度方向的一端开始，向另一端步进，按板件宽度方向的一端到另一端进行折线式往复观察及选择拍摄。如图2所示。

步骤(3)：取经过步骤(1)和步骤(2)的一个试件A。在疲劳试验机上进行连续疲劳试验，记录板件的疲劳寿命和断裂位置。

步骤(4)：取经过步骤(1)和步骤(2)的另一个试件B。在疲劳试验机上进行中断疲劳试验，加载参数与连续疲劳试验相同，每循环一定的次数停机一次。循环间隔根据连续疲劳试验所得的疲劳寿命确定,确保中断试验结束后获得20～30组试验数据。例如：由步骤(3)连续疲劳试验得到板件疲劳寿命为30000次，要想获得30组试验数据，中断疲劳试验的循环间隔设置为1000次。

在夹具和板件上用记号笔标记装夹的位置，每隔一定的循环间隔卸载并卸件，以便于观察表面显微形貌的变化。

步骤(5)：对捕捉裂纹萌生形貌及区域来说，每次卸件后分别在10倍和40倍物镜下对板件的四个表面从板件长度方向的一端开始，向另一端步进，按板件宽度方向的一端到另一端进行折线式往复观察并选择拍摄。重点观察划痕、孔洞以及强化颗粒聚集处等特征显微结构，一旦这些区域或其他区域在10倍物镜下呈现周围颜色变深变暗时，图3，以及在40倍物镜下出现滑移带处，初步确认为小裂纹可能的萌生点，拍照并记录所在区域位置。板件侧面抛光困难，不容易得到无划痕的光滑镜面。在40倍物镜下还需要重点观察侧面焊核区与热机影响区交界的流线处，图4，以及侧面没有打磨成光滑镜面的凹凸粗糙区域等可能的裂纹萌生点。当从这些可能的裂纹萌生点开始出现小裂纹时，在40倍物镜下拍摄并记录所在区域位置。然后，装夹铝合金板件继续进行中断疲劳试验。每次装件时在夹具和板件标记的对应位置进行装夹，以确保每次装夹位置相同。

步骤(6)：对捕捉裂纹扩展形貌来说，每次卸件后从板件长度方向的一端开始，按板件宽度方向的一端到另一端，先在10倍物镜下一边找到板件四个表面已产生的所有小裂纹，一边寻找新产生的裂纹萌生点。然后在40倍物镜下对已产生的小裂纹形貌进行拍摄，同时拍摄新产生的裂纹萌生点，并记录其各自位置。结合其中前后两次中断疲劳试验拍摄的金相图片，对同一位置的显微形貌进行前后对比，当小裂纹形貌和长度在上一次的基础上有延伸时，确定为小裂纹开始扩展。搅拌摩擦焊板件的侧面为梯度分区，如图5所示。针对板件侧面萌生的小裂纹在垂直于加载方向扩展时易从一个区域延伸至另一个区域扩展，拍照并记录侧面扩展的小裂纹每次延伸到达的区域位置和对应的循环次数，根据所在区域将金相照片分组保存。拍照记录裂纹尖端遇到显微结构时裂纹扩展路径受到促进或阻碍以及裂纹走向的变化，以便于分析显微结构对裂纹扩展的影响。

步骤(7)：记录所有小裂纹的扩展情况。结合其中前后两次中断疲劳试验拍摄的金相图片，对同一小裂纹在40倍物镜下的显微形貌进行前后对比，重点找出扩展速率比其他小裂纹快的一条或几条裂纹，预测可能的主裂纹。并重点记录侧面每条小裂纹的扩展情况。以免板件侧面宽度过窄而使侧面小裂纹比正反面小裂纹率先导致板件断裂。

步骤(8)：重复步骤(4)到步骤(7)，直至板件断裂。记录最后导致板件断裂的一条或几条主裂纹。运用图像测量软件SuperImage对照片中所有的裂纹长度进行追踪测量。采用40倍物镜拍摄的裂纹图片来测量裂纹长度。当裂纹长度超出一张照片的容纳范围时，寻找裂纹上的某一参考点对裂纹长度进行拼接累加。当裂纹扩展路径弯曲而不能直接测量时，将裂纹分成若干线段进行累加得到最终的裂纹长度，使测量更精确。

步骤(9)：根据割线法计算不同循环数下的裂纹扩展速率，计算公式为：

其中，ΔN和Δa为循环区间和裂纹长度，a_i是在循环次数为N_i时的裂纹长度。例如：当循环次数为1000时对应的裂纹长度为24.04μm，循环次数为2000时对应的裂纹长度为27.57μm，则对应的裂纹扩展速率

步骤(10)：当循环数超过疲劳寿命的50％后，选出裂纹扩展速率至少连续两次上升且上升时期的扩展速率超过之前扩展速率平均值的2倍时所对应的裂纹长度，确定铝合金板件疲劳小裂纹阶段的临界尺寸。