TA5钛合金焊板的疲劳断口分析

高灵清1， 2 ，朱金华1

(1.西安交通大学材料学院，陕西西安　710049； 2.中船重工七二五所，河南洛阳　471039)

摘  要：用扫描电镜对TA5钛合金焊接板件不同部位的疲劳裂纹扩展速率试验后的试样断口进行了分析。结果表明，基材、焊缝区及热影响区试样的断口形貌宏观上由众多小面组成；微观下，小面上有典型的疲劳辉纹。焊缝区和热影响区试样的辉纹间距较基体区的大，说明裂纹扩展速率快，焊缝和热影响区的抗裂纹扩展性较基体差。

关键词： TA5钛合金； 焊接板件； 疲劳裂纹； 断口分析

　  钛合金由于具有密度小、比强度高、耐腐蚀与可焊接性和低温性能好等优点，在国防及国民经济建设中被越来越广泛应用。例如美国某型军用飞机，钛合金用量已占材料总用量的25%以上，并还在逐年增加。因此，钛合金正在受到材料工作者更广泛的关注。TA5是一种单相α型钛合金，常用于重要的结构件和作为钛合金焊丝材料使用，对其已有大量的研究。但作为焊接材料产生的焊缝，其疲劳性能研究不多。本文就某TA5产品的焊接件，对疲劳裂纹扩展速率试验的试样断口进行了研究。目的在于了解TA5钛合金焊缝的疲劳性能与断口形貌的关系，为TA5钛合金产品的设计及其焊接工艺的选择提供依据。

1　试样及研究方法

TA5钛合金主要化学成分见表1。选用TA5钛合金退火态板材和TA5钛合金焊丝，依据某产品的焊接工艺进行焊接，经检验合格后，分别在焊件的基材、焊缝区及热影响区沿垂直于焊缝的方向取样。在相同的条件下按国家标准GB/T 6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》进行疲劳裂纹扩展速率试验，产生的试样用于断口分析。

研究方法采用比对分析的方法，对基材、焊缝区及热影响区等3个区的断口试样进行对比分析，找出差异及规律。用扫描电镜观察断口。

2　断口分析结果与讨论

2.1　断口宏观分析

由于采用的疲劳裂纹扩展速率试验的最大应力(依据使用条件确定)远小于TA5钛合金的屈服强度，属于高周疲劳试验。宏观断口由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区组成[ 3 ] 。图1所示的TA5钛合金基材、焊缝区及热影响区试样断口均由预制裂纹处起始，充分扩展后发生断裂。瞬断区面积都较小，无明显差别，说明所受应力值较小。整个断口较为粗糙，裂纹起始处相对光滑，为上下断口摩擦所致，这符合疲劳断裂的一般规律。

3种试样断口启裂处均由一些小面组成，这些小面是一些类似解理断裂、有河流花样的解理面。裂纹扩展区也是由一些小面组成，但小面较为平坦，许多小面上已无河流花样，部分上还有，见图1。相比较而言:焊缝区试样断口较粗糙，试样断口上的小面较大，呈树叶状；而其他两种试样断口上的小面较小，呈片块状。这些小面的大小和形状与试样组织(α相)的大小和形状应有一定的对应关系。由于是在相同的条件下进行的试验，可以推断:焊缝区的组织，晶粒较大且呈拉长状，基体和热影响区的组织晶粒较小且呈等轴状。这与金相分析的结果是一致的，说明在某些条件下，断口的形态与其组织有一定的对应关系。至于断口裂纹开始处的小面上有河流花样，而扩展区许多小面上已无河流花样，部分上还有，其原因不清，可能与裂纹扩展速度和应力状态有关，有待作进一步研究。

图1　不同试样的断口形貌

( a) 基材　( b) 焊缝区　( c) 热影响区

2.2　断口微观分析

    对3种试样断口上的解理面和平坦小面于高倍下进行观察，有明显的疲劳辉纹，见图2，这是疲劳断裂的显著特征之一。不同试样或同一试样的不同位置，其辉纹的间距是不一样的。在试样断口上的裂纹扩展区前、中和后的相同位置(与裂纹源区的距离基本相同) ，对辉纹间距进行多点测量，其平均值见表2。由于辉纹间距为应力循环一周，裂纹扩展的距离。因此，在相同条件下，辉纹间距小，裂纹的扩展速率相应就小，材料疲劳裂纹扩展抗力大；辉纹间距大，裂纹扩展速率也大，材料疲劳裂纹扩展抗力小。从表2中可以看出:同一试样，疲劳辉纹间距随裂纹的扩展而逐渐增大；不同试样在相同位置，基材试样的疲劳辉纹间距最小，热影响区和焊缝区试样相差不大，约为基材试样的两倍，热影响区相对小些。由此可知，热影响区和焊缝区的疲劳裂纹扩展速率较基材大， 其疲劳性能不如基材，这是由其组织决定的。

图2　不同试样断口的疲劳辉纹形貌

( a) 基材　( b) 焊缝区　( c)热影响区

3　结论

(1) TA5钛合金焊接件基材、焊缝区及热影响区的高周疲劳试样，其裂纹断口宏观形貌均由小面组成，微观下小面上有疲劳辉纹。

(2) 焊缝区和热影响区试样的疲劳辉纹间距较基体试样大，疲劳裂纹在焊缝区和热影响区的扩展速率较基体快，疲劳性能不如基材。