超塑性固相焊焊接面断口的分形探讨

第36卷　第11期2002年11月
西　安　交　通　大　学　学　报
JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITY
Vol.36　№11
Nov.2002
文章编号:0253-987X(2002)11-1173-04
超塑性固相焊焊接面断口的分形探讨
张柯柯1,杨蕴林1,倪　峰1,王再友2,祝要民2,薛　锦3
(1.河南科技大学材料科学与工程系,471003,洛阳;3.西安交通大学材料科学与工程学院;
3.西安交通大学机械工程学院)
摘要:以恒温超塑焊焊接面断口为研究对象,采用二次电子衬度曲线法表述焊接面断口的分形维数,探讨了用分形维数来描述焊接面断口各区焊合特征的可能性.试验结果表明,由于焊接面断口各区焊合状态的不同,对应的分形维数也不同.当测量尺码在1～4μm的范围内时,分形维数可以完全作为反映焊合微观状态的特征参量,因此用分形来描述超塑性固相焊焊接面断口各区的焊合特征是可行的.这也从分形理论的角度证明了在超塑性固相焊接头的形成过程中,焊接面各微区的焊合状态是非均匀性的.
关键词:超塑性固相焊;断口;分形
中图分类号:TG45619　文献标识码:A
Fractal Exploration of the Welded Surface Fracture of
Superplastic Solid2State Welding
Zhang Keke1,Y ang Y unli n1,N i Feng1,W ang Zaiyou2,Zhu Y aom i n2,X ue Ji n3
(1.Department of Material Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Louyang471039,China;
2.School of Material Science and Engineering,Xi′an Jiaotong University;
3.School of Mechanical Engineering,Xi′an Jiaotong University)
Abstract:Taking the welded surface fracture of isothermal superplastic solid2state welding as a research object,and the fractal dimension of the fracture being described by means of secondary electron intensity,the possibility of describing the welded state of every micro zone at welded surface is discussed by using fractal dimension.The experimental results indicate that the fractal dimension varies with the welded state of every micro zone at welded surface.Within the extent of scale1～4 micron,it is reasonable that the fractal is used to describe the characteristic parameter of the welded state of every micro zone at the fracture surface,so the possibility does exist.It is proved by fractal theory that the welded state of every micro zone at welded surface is uneven in the formation process of isothermal superplastic solid2state welding joint.
K eyw ords:superplastic soli d2state wel di ng;f ractograph;f ractal
恒温超塑性焊接(ISSW)作为一种新的固相连接技术[1,2],其非平衡力学物理冶金过程主要表现为待焊接界面不同区域的受力状况和塑性或超塑性流变的不均匀性.接头区组织在焊接过程中发生的
收稿日期:2002-01-31.　作者简介:张柯柯(1965～),男,副教授.　基金项目:河南省自然科学基金资助项目(984040900);激光技术国家重点实验室开放基金资助项目([2001]0110).
不可逆固态相变等[2,3],导致了焊接面的焊合状态
呈现非均匀性.ISSW 焊接面断口作为焊接过程中界面焊合状态的真实记录,在焊合状态不同的区域其界面处呈现不同的断裂机制,并表现出不同的断口特征.文献[2]通过对ISSW 焊接面断口不同焊合特征区域的观察,按微观上断口形貌特征的不同,将整个断口分为3个特征区域,即类原始界面区、准冶金结合区和冶金结合区.为了深入研究焊接面断口焊合状态的非均匀性,以揭示材料的ISSW 接头形成过程和连接机制,本文借助于分形这一研究和处理工程中非平衡和非线性作用后的不规则图形工具,视接头界面焊合状态不同区域的断口为分形结构,对焊接面断口各区的焊合特征进行了分形探讨.
1　试验条件
将国产供应热轧态40Cr 、T10A 圆钢制成
15mm 的试样,在100kW 的GP100-3型高频感应加热装置上,对试样待焊面表层组织进行高频淬火超细化工艺处理后,将试样待焊面用600#砂纸磨光,用丙酮清洗干净,配成对裹好,并置于压接装置内,用控温精度为±2℃的3kW 电炉加热.取5616MPa 的预压应力将试样压紧,并加热至750℃保温10min.在215×10-4/s 超塑初始应变速率下,经0～240s 做短时压接卸载空冷.为了考察ISSW 界面的焊合状况,需将拉伸试样在原界面处预制 (5-015)mm 的缺口,以使断口断在界面处.采用L EICA Combridge S440i 扫描电镜(SEM )及其Link oxpord 能谱仪对断口进行了观察和二次电子衬度
曲线测定(见图1).磨光的待焊面经西德产T20S 表面形貌测量仪测定,其轮廓峰的平均高度R a 、最大轮廓峰高度R y 和轮廓峰平均间距S m 分别为01115～01125μm 、11372～11749μm 和415
～513μm.
图1　表面粗糙度的波形示意图
2　焊接面断口分形维数的测量方法
2.1　分形维数的测量原理
把断口表面的分维作为金属断裂表面粗糙度的一种度量,其分维值的大小可定量地描述断口特征和断裂机制[4～7].在不同的区域中,焊合状态会因其微观断口特征中不规则程度的差异而具有不同的分维值,这正好反映了所研究对象———不同焊合区域微观断裂机制的差异,因此可用断口表面的分维值去度量它的不规则程度,以表述不同的焊合状态.二次电子衬度曲线法[5,6]作为一种快速简便、不破坏原始断口的分形维数测量方法,通过对断面不同部位、不同方向上的二次电子衬度曲线的测定,来间接表征断口的分形维数.
二次电子衬度曲线的形状及质量,通常要受到放大倍数、扫描速度和束斑直径的影响,此外还要受到衬度、束流及断面与入射电子束间夹角等因素的影响[7].因此,在测量时为使不同试样断面上获得的二次电子衬度曲线具有可比性,应该使工作参数保持相对固定,这时的二次电子束强度为[8]
I s =KI p cos
θ(1)
式中:I P 为入射电子束强度;θ为断面法线与入射电子束间的夹角;K 为常数.
实际焊接断面可视为由大量不同尺寸及倾角的小平面构成,每一小平面上产生的二次电子强度取决于其与入射电子束间的夹角.对于一定的断面,如视小平面的平均尺寸 a 为常数(见式(2)),其θ角度的变化反映了断面起伏程度的变化.因此,二次电子衬度曲线的变化能反映断面形貌的变化,可视为断面轮廓剖面线的表征而被用于测量断面的粗糙度
sin θi =Δh i / a (2)式中:
Δh i 为断面的起伏高度.不规则二次电子衬度曲线的测量长度取决于测
量尺码η的大小,η越小,测得的曲线越长.分形曲
线长度L (η
)与η间的关系为[7]L (η)=L 0ε(1-D )=L D 0η(1-D )
(3)式中:L 0为初始图形的边长;ε=η/L 0为相对测量
尺码;D 为分形维数.
以分形曲线的投影长L ′除以式(3)得到
R L (η
)=L 0L ′
ε
(1-D )
=R 0ε(1-
D )
R D 0η
(1-D )
(4)
式中:R L (η
)为曲线的线形粗糙度;R 0为常数.由式(3)和式(4),以不同的η来测定二次电子
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衬度曲线的长度,然后在双对数坐标(ln R L (η)～ln η)上进行线性拟合,由所得直线的斜率求得相应的D.2.2　相关技术参数的确定
以40Cr 、T10A 钢在ISSW 过程中的焊接面拉伸断口的40Cr 侧为研究对象,在断口上随机选取每区为6个的扫描视域,并使二次电子衬度曲线的扫描方向垂直于原始表面的磨削加工痕迹方向,以6个扫描视域分形维数的算术平均值作为该区域的分形维数.其中SEM 的工作参数为:放大倍数2000倍;加速电压20kV ;扫描速度和束斑直径不变.根据实测得到的待焊接表面粗糙度参数和焊接材料(40Cr 和T10A )的原始奥氏体平均截线的长均小于10μm [2],而分形时的η应取微米数量级.
3　焊接面断口的分区分形结果及
讨论
3.1　焊接面断口分区的分形结果
摄得的焊接面各区的二次电子衬度曲线及焊接
面(准冶金结合区),线及相对强度与距离d 的关系如图2所示.R L (η
)与η关系的对数曲线如图3所示.由图3可见,曲线明显地被分为两段,且每段都能较好的符合线性关系,两段的分界点所对应的η为4μm ,这表明D 与η相关.
焊接面断口的不同区域所对应D 的测量结果见表1.由表中可见,焊接面断口不同焊合状态区域所对应D 的测量值不同,相同焊合状态区域所对应D 的测量值也因测量尺码的不同而有所不同.在小尺码(η为1～4μm )的测量范围内,焊接面断口各
区D 的存在有比较明显的规律性,即焊合状态较好的冶金结合区的D 小于准冶金结合区的D ,并且均小于焊合状态较差类原始界面区的D (D w <D t <
D s ).因此,具有较小分形维数的冶金结合区相对于
具有较大分形维数的类原始界面区,其表面的不规则程度较小.在大尺码测量范围内(η>5μm ),上述的规律性不明显,试验中所有测量的分形维数值均在112～115μm 内,这和所使用的分形测试方法是相吻合的.3.2　分析与讨论
当选用小测量尺码(η为1～4μm )去度量反映类原始界面区断面起伏程度的二次电子衬度曲线时,它所表征的该区微观断裂表面粗糙度的变化特征是显著的,这和测得的R y 和S m 等界面粗糙度参数是完全吻合的.该区域的断面由于具有相对较大的表面粗糙度,因此其分形维数(1146)较大.如选用更大测量尺码(η>5μm )去度量类原始界面区时,将会掩盖一些小的轮廓峰或谷,使测量结果难以充分反映材料的微观断面特征,导致该区形貌不存在自相似性.反之,如选用更小测量尺码(η<1μm )去度量时,只有在小部分度量区间的峰或谷处对粗糙度的状况度量是显著的,显然此时的度量已失去了意义. 随着焊接过程的进行,由于试样接触界面两侧材料的塑性流变和扩散,使2个待焊接面上更多的
表1　焊接面断口不同区域的分形维数值
断面区域
(焊合状态)
η/μm
1～41～61～8冶金结合区D w
112211371142准冶金结合区D t 112711381144类原始界面区D s
1141
1142
11
46
(a )类原始界面区 (b )准冶金结合区
(c )冶金结合区
图2　二次电子衬度曲线
5
711　第11期张柯柯,等:超塑性固相焊焊接面断口的分形探讨
图3　线粗糙度与测量尺码曲线
微观凸或凹处达到了良好的接触,而形成了冶金结合.因此,类原始界面区就会演变成冶金结合区,其断面粗糙度将随之降低.显然,如选用相同测量尺码(η为1～4μm)去度量这些主要由细小晶粒沿晶断裂构成的冶金结合区[2]断裂表面的二次电子衬度曲线时,测量尺度对于较平整的冶金结合区断裂表面就显得较大,因此在微观上表征出该区域断裂的表面粗糙度就较小,其相应的分维数(1122)也较小.
准冶金结合区断口兼有上述两区的断口形貌特征,其断裂表面粗糙度介于上述两区之间.如用相同测量尺码(η为1～4μm)去度量该区域时,其分形维数(1127)必定介于类原始界面区的分形维数(1146)与冶金结合区分形维数(1122)之间,表1表示的测量结果与此分析完全相符.由表1还可以看出,D t更接近于D w,而与D s差别较大,反映出准冶金结合区的焊合状态更接近于冶金结合区.
综上所述,界面断口的不同区域呈现出不同的断裂表面粗糙度,具有不同的分形维数,反映了界面不同区域连接机制及焊合状态的不同.这说明用分形理论研究固相焊焊接面断口各区焊合特征的可行性.由于界面中不同区域的存在,同时也反映了在ISSW过程中焊接界面超塑变形和焊合的不均匀性.
4　结　论
用分形来描述超塑性固相焊焊接面断口各区的焊合特征是可行的.由于焊接面断口各区焊合状态的不同,因此所对应的分形维数也不同.在η为1～4μm的测量尺码内,分形维数完全可以作为反映焊合微观状态的特征参量.因此,这从分形理论的角度证明了在超塑性固相焊接头的形成过程中,焊接面各微区焊合状态的非均匀性.
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(编辑　管咏梅)
6711西　安　交　通　大　学　学　报第36卷　。