相似及异种AA6061-T6/ZE41搅拌摩擦焊接接头的拉伸、仪器化夏比冲击及基于EPFM的动态断裂韧性行为的比较研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Comparative Investigation of Tensile, Instrumented Charpy Impact, and EPFM-Based Dynamic Fracture Toughness Behavior of Similar and Dissimilar AA6061-T6/ZE41 Friction Stir Welded Joints

　　

搅拌摩擦焊接（FSW）提供了一种有效的固态连接技术，用于轻质铝合金和镁合金；然而，关于相似及异种AA6061-T6/ZE41接头的动态断裂行为的比较信息仍然有限。本研究比较研究了AA6061-T6母材（BM）、ZE41母材、AA6061-AA6061相似FSW、ZE41-ZE41相似FSW以及AA6061-ZE41异种FSW接头的拉伸性能、硬度分布、仪器化夏比冲击响应和动态断裂韧性。AA6061-T6母材表现出最高的极限抗拉强度（310 MPa）、延伸率（11.2%）、裂纹起始能（31.91 J）和基于弹塑性断裂力学（EPFM）的动态断裂韧性（585.66 kJ/m²）。AA6061-AA6061相似接头保持了89.68%的接头效率，而ZE41-ZE41相似接头达到了88.37%。AA6061-ZE41异种接头表现出最高的搅拌区硬度（121 HV），但最低的抗拉强度（170 MPa）、延伸率（4.03%）和断裂韧性（200.14 kJ/m²），表明其断裂抗力比AA6061-T6母材低约66%。断裂抗力顺序为：AA6061-T6母材 > AA6061-AA6061 FSW > ZE41母材 > ZE41-ZE41 FSW > AA6061-ZE41 FSW。结果表明，尽管搅拌摩擦焊接有效地保持了相似接头的机械完整性，但冶金不相容性显著降低了异种AA6061-T6/ZE41接头的冲击抗力和动态断裂韧性。

**研究背景与意义**
轻量化结构材料在航空航天、汽车和交通运输领域的需求日益增长，铝合金和镁合金因其优异的比强度而备受关注。搅拌摩擦焊接（FSW）作为一种固态连接技术，可避免熔化焊带来的气孔、热裂纹等缺陷，成为铝镁合金连接的有效手段。然而，现有研究多集中于微观组织演变、拉伸性能和硬度分布，对相似及异种AA6061-T6（Al-Mg-Si系铝合金）/ZE41（Mg-Zn-RE系镁合金）接头在动态载荷下的断裂行为缺乏系统比较。特别是，仪器化夏比冲击测试与基于弹塑性断裂力学（EPFM）的动态断裂韧性评估尚未应用于此类接头。因此，研究人员开展本项研究，旨在综合评估拉伸性能、硬度分布、仪器化夏比冲击响应和动态断裂韧性，揭示冶金不相容性对异种接头断裂抗力的影响。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
1. **拉伸测试**：依据ASTM E8/E8M标准，在室温下以10^-3 s^-1应变率进行，获取工程应力-应变曲线。
2. **硬度测试**：使用维氏显微硬度计，载荷0.5 kg，保载10 s，测量焊缝横截面各区域（搅拌区SZ、热力影响区TMAZ、热影响区HAZ、母材BM）的硬度分布。
3. **仪器化夏比冲击测试**：依据ASTM E1820-06标准，制备疲劳预裂纹V型缺口试样，在计算机控制的摆锤冲击试验机上记录载荷-位移及能量-位移曲线。
4. **动态断裂韧性评估**：采用三种裂纹起始能方法（最大载荷法、柔度修正法、柔度变化率法）计算J_1d，并基于EPFM的J_p-R曲线（Schindler法）及线性弹性断裂力学（LEFM）方法进行验证。
5. **断口分析**：使用扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌，分析断裂机制。

**研究结果**
**3.1 拉伸性能**
工程应力-应变曲线显示，AA6061-T6母材具有最高的屈服强度（275 MPa）、极限抗拉强度（310 MPa）和延伸率（10.05%），归因于其T6时效析出强化状态。AA6061-AA6061相似接头保持了89.68%的接头效率，屈服强度（235 MPa）和抗拉强度（278 MPa）仅分别降低14.5%和10.3%；ZE41-ZE41相似接头效率为88.37%，抗拉强度降至190 MPa。AA6061-ZE41异种接头性能最差，抗拉强度仅170 MPa，延伸率4.03%，接头效率79.07%，主要因铝镁合金冶金不相容性及可能形成脆性Al-Mg金属间化合物（IMCs）。结论：搅拌摩擦焊接有效保持了相似接头的力学完整性，但异种接头因材料匹配不良导致强度显著下降。

**3.2 硬度分布**
AA6061-AA6061相似接头硬度从母材区98-99 HV降至HAZ/TMAZ的81 HV，搅拌区因动态再结晶和晶粒细化恢复至91 HV。ZE41-ZE41相似接头硬度从母材71-72 HV降至HAZ/TMAZ的63 HV，搅拌区升至77 HV，变化幅度较小源于镁合金对析出强化的依赖性较低。AA6061-ZE41异种接头表现出独特的硬度分布：AA6061侧硬度约98-100 HV，ZE41侧约69-71 HV，搅拌区硬度最高达121 HV，较AA6061-T6母材提高约23%，较ZE41母材提高约70%，归因于剧烈晶粒细化、铝镁机械混合及可能存在的硬质Al-Mg IMCs。结论：搅拌区硬度与晶粒细化和IMC形成密切相关，异种接头硬度峰值最高但其他区域硬度差异大。

**3.3 通过不同能量方法评估动态断裂韧性（J_1d）**
基于仪器化夏比冲击测试的载荷-位移曲线，采用三种方法确定裂纹起始能E_Δa：
- 方法I（最大载荷法）：假设裂纹起始于最大载荷点，E_Δa(1)为曲线至最大载荷的面积。
- 方法II（柔度修正法）：Kobayashi等提出仅80%最大载荷前能量贡献于裂纹起始，E_Δa(2) = 0.8 × E_Δa(1)。
- 方法III（柔度变化率法）：通过计算柔度变化率d(C/C_el)/dδ，确定实际裂纹起始点，E_Δa(3)为曲线至该点面积。
AA6061-T6母材的裂纹起始位移最大（1.64992 mm），E_Δa(3)为31.91 J；AA6061-ZE41异种接头最小（0.93233 mm），E_Δa(3)仅9.83 J，总吸收能23.65 J。E_Δa(3)/E_Δa(1)比值在0.764-0.903之间，与Kobayashi等报道范围一致，验证了方法III的适用性。结论：柔度变化率法提供最真实的裂纹起始能估计，AA6061-T6母材具有最高的冲击能量吸收能力，异种接头因材料不匹配和IMC形成导致早期裂纹起始和低能量吸收。

**3.4 基于EPFM的J_p-R曲线评估动态断裂韧性**
采用Schindler方法，从载荷-位移曲线获取总吸收能U_tot和最大载荷前能量U_mp，构建J_p-R曲线，以0.2 mm裂纹扩展对应的J_p值作为J_1d。AA6061-T6母材的J_1d（EPFM）为585.66 kJ/m²，与方法III结果（582.37 kJ/m²）偏差仅0.56%；AA6061-AA6061相似接头为507.30 kJ/m²；ZE41母材和ZE41-ZE41相似接头分别为379.14 kJ/m²和275.03 kJ/m²；AA6061-ZE41异种接头最低，仅200.14 kJ/m²。方法III与EPFM的偏差最小（<15.67%），方法II显著低估，方法I高估。结论：EPFM方法确认了断裂抗力排序：AA6061-T6 BM > AA6061-AA6061 FSW > ZE41 BM > ZE41-ZE41 FSW > AA6061-ZE41 FSW，且柔度变化率法是最可靠的J_1d评估方法。

**3.5 基于线性弹性断裂力学（LEFM）的评估**
依据ASTM E399，由峰值载荷计算动态应力强度因子K_Id、弹性断裂韧性J_el，并结合EPFM的塑性分量J_0.2dpl获得总动态断裂韧性J_Id。AA6061-T6母材的K_Id为378.31 MPa√m，总J_Id为2662.42 kJ/m²；AA6061-AA6061相似接头K_Id为341.72 MPa√m，J_Id为2276.15 kJ/m²；ZE41母材和ZE41-ZE41相似接头J_Id分别为2121.49 kJ/m²和1660.89 kJ/m²；AA6061-ZE41异种接头K_Id仅207.47 MPa√m，J_Id为982.63 kJ/m²，较AA6061-T6母材降低约63%。结论：LEFM方法进一步验证了断裂抗力排序，异种接头因冶金不相容性和局部脆性区导致动态断裂韧性显著下降。

**3.6 拉伸断口形貌分析**
SEM观察显示：AA6061-T6母材断口呈现大量深韧窝、微孔聚集和塑性撕裂脊，典型韧性断裂特征。AA6061-AA6061相似接头同样为韧窝和撕裂脊，但韧窝尺寸略小，反映焊接后塑性略有降低。ZE41母材断口为混合韧窝-解理形貌，浅韧窝加解理面，表明塑性变形能力较差。ZE41-ZE41相似接头以解理面、二次裂纹和有限塑性流变为主，脆性特征增强。AA6061-ZE41异种接头最为脆性，大量解理面、界面失效区和二次裂纹，归因于微观组织不均和局部Al-Mg IMCs引起的应力集中和早期开裂。结论：断口形貌与力学性能高度一致，韧性断裂对应高J_1d，脆性断裂对应低能量吸收和断裂韧性。

**讨论与结论**
讨论部分总结了研究结果的内在联系：相似接头因动态再结晶和良好冶金结合保留了较高的力学完整性；异种接头因铝镁合金物理和机械性能差异、材料流动不均及脆性IMCs的形成，导致强度、冲击能量和断裂韧性全面降低。三种J_1d评估方法中，柔度变化率法与EPFM方法一致性最好，为动态断裂韧性评估提供了可靠框架。
研究结论（翻译原文第4节）：
1. AA6061-AA6061相似FSW接头表现出最高的接头效率（89.68%），而AA6061-T6/ZE41异种接头最低（79.07%），证实了材料不相容性对接头强度的不利影响。
2. AA6061-T6/ZE41异种接头表现出最高的搅拌区硬度（121 HV），较AA6061-T6和ZE41母材分别提高约22%和69%，归因于晶粒细化和局部Al-Mg金属间化合物形成。
3. AA6061-T6母材具有最高的裂纹起始能（31.91 J）和基于EPFM的动态断裂韧性（585.66 kJ/m²），而AA6061-T6/ZE41异种接头分别降低约69%和65.8%，表明其断裂抗力最低。
4. 在三种J_1d评估方法中，柔度变化率法与EPFM方法一致性最好（偏差<10%），确认了其用于搅拌摩擦焊接接头动态断裂韧性评估的可靠性。
5. 断口分析揭示了从AA6061-T6和AA6061-AA6061 FSW接头的韧性微孔聚合到含ZE41接头的解理主导断裂（伴有二次裂纹）的转变，与测得的拉伸强度、冲击能量吸收和动态断裂韧性降低一致。
6. 所提出的方法为评估搅拌摩擦焊接接头的动态断裂韧性提供了可靠框架，可为轻量化航空航天、汽车和交通运输应用中的材料选择、接头完整性评估和结构设计提供支持。