解析激光焊接-钎焊过程中形成的具有包围界面的各种金属间化合物的失效响应机制

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Disentangling the Failure Response of Various Intermetallic Compounds with Surrounded Interface Formed During Laser-Weld-Brazing Process

激光焊接Zn涂层Gen 3 Q&P980钢时，界面包围型金属间化合物（SI-IMCs）的热输入依赖性显著影响接头性能：低热输入（ΔHI=2.3-7.5 J/mm）形成的细小α、β、γ型SI-IMCs使峰值载荷提升91.7%、位移增加319.84%、韧性提高1200%，而高热输入（ΔHI=13-17.5 J/mm）形成的粗大α、δ型SI-IMCs则加速失效。EBSD分析表明，Cu基 braze矩阵与SI-IMCs的强{100}取向对可激活GND.Ratio(Cu/Fe)>0.67的“SI-IMC诱导孪晶”机制，通过局部<112>取向旋转和裂纹路径附近孪晶形成，实现从脆性到韧性断裂的转变。

　　

摘要

本研究阐明了界面金属间化合物（SI-IMCs，即在钎缝内部形成的金属间化合物）对接头机械性能和断裂行为的影响。采用激光焊接钎接（LWB）技术对镀锌的Gen 3 Q&P980钢材进行处理，制备了含有不同类型SI-IMCs的钎接头，这些SI-IMCs的形成与LWB过程中的热输入量有关。在较低热输入量（ΔHI_Relative范围为2.3–7.5 J/mm）下形成的SI-IMCs显著提升了材料的机械性能：与在高热输入量（ΔHI_Relative范围为13–17.5 J/mm）下形成的SI-IMCs相比，其峰值载荷提高了91.7%，位移增加了319.84%，韧性提高了1200%。通过电子背散射衍射（EBSD）技术分析了SI-IMCs以及钎料中富铜基体的微观结构和织构。研究共识别出五种具有不同形态和成分的SI-IMC结构，每种结构都对裂纹扩展行为产生影响。钎料中发现了四种不同的SI-IMC类型，分别命名为α、β、γ和δ。细小的α-、β-和γ-SI-IMCs延缓了材料的失效过程，而粗大的α-和δ-SI-IMCs则加速了材料的失效。研究发现，SI-IMCs与钎料基体之间强烈的{100}晶向排列有助于提高材料的应变适应能力，从而增强抗裂性。为表征位错密度并控制富铜钎接头的韧性，引入了一个无量纲参数GND.Ratio_(Cu/Fe)。当GND.Ratio_(Cu/Fe) > 0.67且钎料与SI-IMC之间的晶向排列良好时，会激活“SI-IMC诱导的孪晶形成”机制，使富铜基体的晶向发生局部旋转（朝向<112>），并在裂纹扩展路径附近形成孪晶结构，从而增强应变适应能力，使断裂模式从脆性转变为韧性，进而改善了材料的机械性能。