铝合金5083焊接试样微观力学测试分析

常 超 张 柱 林金保

（太原科技大学 应用科学学院，太原 030024）

焊接接头是零件强度最薄弱的地方，在焊接过程中由于在加热或冷却过程中，材料内部会产生温度梯度，在焊接接口不同微区产生残余应力，因而对焊接构件的疲劳强度、腐蚀开裂及可靠性等力学性能都有很大影响。很多学者研究焊接接头微区的力学性能，乔及森等[1]采用穿孔剪切法研究铝合金材料Al6063焊接区域的弹塑性本构关系，得到了抗拉强度、屈服极限及加工硬化指数与距离焊缝中心距离的关系；郑小茂等[2]利用硬度计对焊接接口进行微区测试，发现硬度值最低点出现在热影响区，同时对不同焊接工艺的焊接试样进行了拉伸试样，进而优化了焊接工艺；杜家振[3]等利用纳米压痕实验与微拉伸实验分析了铝合金焊接接头不同微区的力学性能，包括弹性模量、屈服极限等的分布规律；杨喜昌等[4]通过显微硬度测试研究YAG激光焊、熔化极惰性气体保护焊（MIG）及激光-MIG电弧复合焊三种不同焊接工艺在焊接接口区域的硬度分布，得出MIG焊接工艺的显微硬度最高。

纳米压痕测试技术作为一种高分辨率的检测技术，具有试样制备简单、非破坏性等特点，通过记录连续的压入位移与压入力，可用于测量焊接试样热影响区在微尺度下的硬度、弹性模量及塑性性能等力学性能。本文利用纳米压痕测试方法对焊接接头进行微观力学分析，研究铝合金焊接接头的弹塑性性能。

1 纳米压痕实验

1.1 材料及制备过程

实验材料为5083铝合金焊接试样，采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）焊接。在纳米压痕试样前，需对焊接试样进行加工研磨和抛光，具体步骤如下。第一，研磨。分别选用600#、1000#、1200#砂纸对试样焊接区域的截面进行人工研磨。第二，抛光。分别用9µm、6µm、3µm、1µm、0.05µm的抛光液对研磨后的试样进行抛光至镜面程度。纳米压痕试样如图1所示。

1.2 实验过程

利用Nanoindenter XP（Nanoinstruments Innovation Center，MTS systems，TN，USA）进行微观力学测试，采用连续刚度法（CSM）施加2nm的位移和45Hz的动态振荡测量相应力的振幅和相位得到随着位移变化的连续刚度[5]。测试过程采用位移控制，最大压痕深度为2000nm。Berkovich金刚石压头常用于测试材料的弹性性能，选择Berkovich金刚石压头的尖端圆弧半径为100nm左右，在实验之前使用熔融石英对压头进行校核。焊接接口具有几何对称性，只需对其一侧进行测量。为了表征焊缝接口微区的弹性模量与硬度的微观分布，在焊缝微区加载纳米压痕点阵。图2所示框形区域为纳米压痕测试区域，覆盖1/4焊接接口区域，包括焊核区、焊缝过渡区及焊接基体区，每个压痕间距大约为500μm。球形压头具有较好的弹塑性过渡区域，常用于测试材料的塑性性能，实验选用半径为5.9µm的球形金刚石压头分别测试焊接基体区与焊缝区的塑性性能。

图1 纳米压痕试样

图2 压痕点阵

1.3 测试力学模型

采用Oliver-Pharr方法是纳米压痕原位测试材料弹性模量和硬度常用的经典方法[6-7]。纳米压痕测试的硬度由式（1）测得：

其中：P是加载的载荷，Ac是载荷力作用下的投影接触面积。

Er（r为下标）是压头和被测试样的约化模量，可表示为：

其中，v和vi为被测材料与金刚石压头的泊松比。

在纳米压痕技术测试中接触面积是间接测得的，当压头压入试样时印痕的深度h由接触高度hc和接触周围的高度hs组成：

ε是压头几何特征值，测量材料硬度和弹性模量最常用的压头是几何对称球形压头压头ε=0.75。

接触面积Ac可以通过加载在标定材料石英上的不同印痕位移迭代得到的，接触面积Ac与接触高度hc可以通过式（6）拟合：对于理想球形压头c0=3.14，ci是常数，表示实际压头的几何形貌。

根据载荷位移曲线和连续刚度测试，通过Kalidindi模型测试材料的应力应变曲线[8]。

其中，a是在压痕载荷为P作用下的接触半径，h是弹性压入深度，Reff分别为有效半径。

利用Hertz理论，Kalidindi模型可将载荷位移曲线转换为应力应变曲线：

其中，σind为压痕代表应力，εind为压痕代表应变。

在Kalidindi模型中的应力约束因子为2.2，代表应变包含弹性应变εeind和塑性应变εipnd，应变约束因子εsc可以表示为：

2 实验结果与分析

图3为玻式压头的纳米压痕在框形区域点阵的加载力-位移曲线：在加载阶段曲线，2000nm压入深度下的加载力分布在100～115mN，在不同区域的晶粒大小及热影响区残余应力会对加载阶段的力-位移曲线产生影响。与加载曲线进行比较，点阵的卸载曲线分布较集中。卸载阶段为完全弹性曲线，焊接热影响区域的弹性性能受残余应力的影响不大。卸载阶段常用于测试材料的弹性性能，数值方法可以证明若接触面积能够准确测量，所测得的杨氏模量不受残余应力的影响[9]。

图3 玻式压头的纳米压痕在框形区域点阵的加载力-位移曲线

图4 为焊接接口点阵的硬度分布，硬度值大概分布在0.9～1.34GPa，硬度分布不是均匀的，但靠近焊缝中心处的硬度相比其他位置要大。图5为焊接接口点阵的弹性模量分布，弹性模量大概分布在70～80GPa，相比硬度的分布要均匀些，这是因为测试弹性模量是利用卸载曲线，残余应力不影响弹性模量的测试。但在利用Oliver Pharr方法测试弹性模量过程中会受到表面平整度（粗糙度、倾斜度等）都会影响测试。

图4 焊接接口点阵的硬度分布

图5 弹性模量分布

图6 为纳米压痕球形压头下载荷-位移曲线在焊接试样焊缝区和基体区的力学响应，在相同的位移载荷下，基体区对应的载荷力要比焊缝区的载荷力大。

图6 球形压头纳米压痕实验：基体区与焊缝区的不同载荷-位移响应

利用Kalidindi模型可以将载荷位移曲线和连续刚度转换为材料的应力应变曲线。图7为压痕法得到基体的应力应变曲线，不同于传统的拉伸曲线，通过压痕法得到了应力应变曲线分为：弹性阶段、弹塑性过渡阶段和完全塑形阶段，各阶段如图所示。在弹性阶段，材料的力学响应满足Hertz接触弹性理论，这个阶段的斜率与Oliver-Pharr方法测得的弹性模量基本一致，约为70GPa；随着压痕位移的增加，压头周围的材料率先进入塑性阶段并被弹性材料包围；当压痕位移压入一定深度时，压头周围材料的塑性效果要远大于其弹性效果，材料进行完全塑性。在弹塑性过渡阶段影响区域较短，5083基体材料完全塑性阶段的应力-应变曲线是趋近水平，对应的应力值为320MPa。与文献中拉伸实验对比[10]，5083铝合金材料通过拉伸得到的应力-应变曲线与纳米压痕测得的结果基本一致，为铝合金材料的模型材料模型可以选用完全弹塑性模型。

图7 球形压头纳米压痕测得基体的应力应变曲线

图7 为压痕法测得焊缝区的应力应变曲线，与基体测得的曲线类型也分为弹性阶段、弹塑性过渡阶段和完全塑性阶段。在弹性阶段测得弹性模量为70GPa，与基体测试结果相同，但在完全塑性阶段的应力为250MPa左右，比基体的塑性性能要小。通过纳米压痕测得焊缝区的塑性性能与焊丝单独拉伸测得值大致相同。

图8 球形压头纳米压痕测得焊缝区的应力应变曲线

3 结论

第一，5083铝合金焊接接头中晶粒尺寸效应与热影响区残余应力会对纳米压痕测试中加载阶段的力-位移曲线产生影响，但对卸载曲线影响不大；第二，焊接接口点阵的弹性模量大概分布在70～80GPa，硬度值大概分布在0.9～1.34GPa，硬度分布不是均匀的；第三，利用球形纳米压痕测得5083铝合金焊接接口基体区与焊缝区的应力-应变曲线，基体区域的完全塑性阶段的应力-应变曲线是趋近水平，对应的应力值为320MPa，焊缝区的完全塑性阶段的应力为250MPa。

[1]乔及森，周清林，朱亮，等.铝合金焊接接头的力学性能测试[J].焊接学报，2006，（11）：41-44，49，115.

[2]郑小茂，张大童，张文，等.焊接参数对7A04铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响[J].焊接学报，2016，37（1）：76-80，132.

[3]杜家政，赵振洋，黄诚，等.铝合金焊接接头力学性能实验研究[J].实验力学，2017，（6）：811-817.

[4]杨喜昌，刘佳，张继彬，等.不同焊接方法对铝合金焊缝成形及力学性能的影响研究[J].应用激光，2016，36（5）：553-558.

[5]Oliver W C，Pharr G M. Measurement of Hardness and Elastic Modulus by Instrumented Indentation：Advances in Understanding and Refinements to Methodology[J].Journal of Materials Research，2004，（19）：3-20.

[6]Oliver W C，Pharr G M. An improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments[J].Journal of Materials Research，1992，（7）：1564-1583.

[7]张泰华.微/纳米力学测试技术：仪器化压入的测量分析应用及其标准化[M].北京：科学出版社，2013.

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[9]朱丽娜.基于纳米压痕技术的涂层残余应力研究[D].北京：中国地质大学，2013.

[10]高福洋，吴华敏，邱胜闻，等.铝合金搅拌摩擦对接焊接头组织与性能研究[J].材料开发与应用，2015，30（5）：25-30.