引言
艦艇海水管系是艦艇推進(jìn)保障系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組保障系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)艦艇運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性起著重要的作用[1]。海水管系處在高鹽、高濕和高溫的工作環(huán)境中，往往會(huì)伴隨嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題[2]。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，鈦合金以其耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能成為了海水管系的理想使用材料，美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)家已經(jīng)開展鈦合金海水管系的應(yīng)用研究，并逐步替換傳統(tǒng)的銅鎳合金等海水管系[3]。
隨著鈦合金在艦艇海水管系上的應(yīng)用，其焊接技術(shù)也越來(lái)越引起人們的重視，然而鈦合金焊接時(shí)的焊接接頭軟化、強(qiáng)度降低和組織不均勻以及焊縫附近區(qū)域產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和接頭處的焊接缺陷[4]都會(huì)使其發(fā)生應(yīng)力腐蝕。
現(xiàn)階段的研究主要集中在鈦合金焊接過(guò)程和接頭力學(xué)性能上，對(duì)焊縫的應(yīng)力腐蝕研究較少。本文以TC4鈦合金為研究對(duì)象，通過(guò)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，采用不同應(yīng)變速率，研究了2mm厚的TIG焊TC4鈦合金焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂行為，通過(guò)觀察應(yīng)力腐蝕斷口形貌，研究了TC4鈦合金焊接接頭斷裂機(jī)理，為改善焊接接頭的耐蝕性以及在海洋環(huán)境下的耐應(yīng)力腐蝕性提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。
1、試驗(yàn)材料及方法
本試驗(yàn)所用TC4鈦合金的主要成分如表1所示。
TC4鈦合金力學(xué)性能如表2所示。
慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)試樣尺寸如圖1所示。試樣用砂紙逐級(jí)打磨，用無(wú)水乙醇清洗，丙酮脫脂處理后，安裝在慢拉伸機(jī)上。工作區(qū)浸泡在實(shí)驗(yàn)溶液中，實(shí)驗(yàn)溶液為3.5%NaCl溶液，用40%稀硫酸調(diào)試PH為7~8之間。試驗(yàn)過(guò)程中采用的拉伸速率如表3所示。試驗(yàn)環(huán)境為常溫常壓，試驗(yàn)結(jié)束后，截取接頭斷口，放置干燥皿中備用，采用EPMA進(jìn)行觀察。
為了表征TC4鈦合金焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性，定義應(yīng)力腐蝕指數(shù)PRA（即韌性損失）作為應(yīng)力腐蝕敏感性的判斷依據(jù)，PRA值越小于0.5說(shuō)明材料有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性。式中：
RA為斷裂收縮率；Ai為拉伸前橫截面積；Af為拉伸后橫街面積；RAe為試驗(yàn)溶液中的RA；RAc為空氣中的RA。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1TC4鈦合金焊接接頭組織
TC4鈦合金焊接接頭金相組織如圖2所示，TC4鈦合金焊接接頭主要分為母材區(qū)、過(guò)渡區(qū)、細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)以及焊縫區(qū)。過(guò)渡區(qū)組織相變發(fā)生不完全，晶粒尺寸接近母材且區(qū)域很窄。細(xì)晶區(qū)組織在相變點(diǎn)以上溫度停留時(shí)間短，經(jīng)過(guò)快速冷卻后，較母材組織有所長(zhǎng)大。粗晶區(qū)峰值溫度接近熔點(diǎn)且高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，加上處于相變點(diǎn)以上溫度的β相原子擴(kuò)散系數(shù)大，晶粒長(zhǎng)大明顯。
焊縫區(qū)在相變溫度以上停留的時(shí)間最長(zhǎng)，冷卻最慢，高溫β相向α'相的過(guò)渡較充分，β相晶粒嚴(yán)重粗大[5]，焊縫區(qū)主要為針狀α'相，α'相在β晶界內(nèi)交織排列，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由此可見粗晶區(qū)與焊縫區(qū)之間的熔合區(qū)有很強(qiáng)的組織不均勻性，主要為粗大的過(guò)熱組織，塑性下降嚴(yán)重，又由于有馬氏體存在，此區(qū)域硬度一般較大，是容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的位置。
2.2SSRT行為分析
不同拉伸速率下試樣在空氣和海水中的慢拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，拉伸變形存在彈性變形和塑性變形階段，曲線的屈服并不明顯，總體上海水中拉伸件的延伸率低于在空氣中的延伸率，這說(shuō)明材料在海水中表現(xiàn)出一定應(yīng)力腐蝕敏感性。海水中拉伸曲線的強(qiáng)化階段小于空氣中拉伸曲線的強(qiáng)化階段，說(shuō)明在海水中材料的塑性有所降低。另外，材料在海水中的斷裂強(qiáng)度低于在空氣中的斷裂強(qiáng)度，說(shuō)明在海水環(huán)境下會(huì)促進(jìn)材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，致使材料強(qiáng)度降低。
試樣在空氣和海水中的慢拉伸結(jié)果如表4所示，隨著拉伸速率的增加，斷裂強(qiáng)度普遍降低，延伸率下降，說(shuō)明高速率下材料應(yīng)力腐蝕敏感性增加。當(dāng)拉伸速率為0.24mm/min時(shí)的斷裂強(qiáng)度會(huì)率高于0.12mm/min拉伸速率下的斷裂強(qiáng)度，這有可能與試樣斷裂位置有關(guān)，0.24mm/min拉伸速率斷裂位置為融合區(qū)附近，組織主要為網(wǎng)狀馬氏體α'相，所以會(huì)導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度有所提高。在海水環(huán)境下慢拉伸的延伸率要低于在空氣中的延伸率，拉伸速率達(dá)到0.24mm/min時(shí)，延伸率下降最為明顯，從20.383%下降到13.324%。由表4可知，海水下的斷面收縮率普遍低于空氣中的斷面收縮率，整體趨勢(shì)為先增加后下降。通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算得出的敏感系數(shù)可知，當(dāng)拉伸速率為0.012mm/min、0.018mm/min、0.024mm/min時(shí)，TC4鈦合金焊接接頭應(yīng)力腐蝕敏感性很低，斷裂位置為母材，表現(xiàn)出較高的應(yīng)力腐蝕抵抗能力。當(dāng)拉伸速率達(dá)到0.12mm/min時(shí)開始出現(xiàn)一定的應(yīng)力腐蝕敏感性，隨著拉伸速率的進(jìn)一步增加，應(yīng)力腐蝕敏感性不斷加大，當(dāng)拉伸速率達(dá)到0.24mm/min時(shí)，敏感系數(shù)Iscc可達(dá)到62.28，且斷裂位置出現(xiàn)在熱影響區(qū)與焊縫區(qū)交界處，說(shuō)明焊縫熔合區(qū)成為應(yīng)力腐蝕敏感區(qū)。
TC4鈦合金焊接接頭表現(xiàn)出在低應(yīng)變速率下對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感，在高速率下對(duì)應(yīng)力腐蝕較為敏感的特征，這與鈦合金的鈍化膜自愈性有關(guān)，當(dāng)其鈍化膜遭到破壞時(shí)，能夠迅速修復(fù)，彌合形成新的保護(hù)膜[6]。在較低拉伸速率下，氧化膜被破壞后新氧化膜形成較快，有很強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕抵抗能力。隨著拉伸速率的提高，TC4鈦合金焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性增加，且斷裂位置出現(xiàn)在熔合區(qū)附近，可能與此區(qū)域存在的少量缺陷、表面氧化導(dǎo)致接頭質(zhì)量的下降與組織不均勻性的共同作用有關(guān)，導(dǎo)致此處應(yīng)力腐蝕敏感性變大。
2.3斷口形貌分析
不同拉伸速率下TC4鈦合金焊接接頭在海水中的宏觀斷口形貌如圖4所示，在不同拉伸速率下，TC4鈦合金焊接接頭都出現(xiàn)了不同程度的縮頸現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸速率的增加，縮頸程度下降，當(dāng)拉伸速度為0.24mm/min時(shí)，縮頸程度最小。慢拉伸后材料的斷裂位置普遍發(fā)生在母材，只有當(dāng)拉伸速率為0.24mm/min時(shí)，斷裂位置發(fā)生在熔合區(qū)附近，熔合區(qū)成為敏感區(qū)域。綜上所述可知，隨著拉伸速率增大，TC4鈦合金應(yīng)力腐蝕敏感性越大，熔合區(qū)由于其組織不均勻和可能存在的缺陷將會(huì)成為敏感性高的斷裂位置。
不同應(yīng)變速率下TC4鈦合金焊接接頭在海水環(huán)境中的微觀形貌圖如圖5所示，圖5（a）是在0.18mm/min速率下的微觀形貌圖，圖中可以看出斷口存在大量韌窩，說(shuō)明斷裂形式主要為韌性斷裂。韌窩包含著微孔的形成、長(zhǎng)大、匯合并最終斷裂，其主要收到夾雜物或第二相粒子影響，韌窩越大說(shuō)明塑性越好，可見當(dāng)拉伸速率為0.18mm/min時(shí)表現(xiàn)出一定良好的塑韌性。圖5（b）是在0.24mm/min拉伸速率下的微觀形貌，從斷口微觀形貌中可以看出，斷裂位置出現(xiàn)韌窩，韌窩數(shù)量變少，主要以韌性斷裂為主。在海水環(huán)境下，以不同速率斷裂的TC4鈦合金焊接接頭以韌性斷裂為主，表現(xiàn)出良好的耐應(yīng)力腐蝕特性，當(dāng)速率增加到0.24mm/min時(shí)表現(xiàn)出一定的應(yīng)力腐蝕敏感程度上升，這與之前結(jié)果一致。
3、結(jié)語(yǔ)
1）TC4鈦合金焊接接頭熔合區(qū)附近為粗大的過(guò)熱組織，存在嚴(yán)重的組織不均勻性，此區(qū)域晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重，塑性下降較大，又因?yàn)橛写罅狂R氏體，硬度較高，成為焊接接頭薄弱區(qū)域。
2）TC4鈦合金焊接接頭在海水中隨拉伸速率的增加，應(yīng)力腐蝕敏感性不斷增加。斷面收縮率在拉伸速率為0.24mm/min時(shí)最小，應(yīng)力腐蝕敏感系數(shù)達(dá)到最大。拉伸速率較低時(shí)，并未表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕敏感性，當(dāng)速率增加時(shí)表現(xiàn)出一定應(yīng)力腐蝕敏感性，但是TC4鈦合金焊接接頭整體抵抗應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)，不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。
3）TC4鈦合金焊接接頭在拉伸速率為0.24mm/min時(shí)斷裂位置出現(xiàn)在融合區(qū)附近，宏觀斷口顯示縮頸程度較低，微觀斷口下觀察到較少的韌窩。焊縫熔合區(qū)成為發(fā)生應(yīng)力腐蝕敏感區(qū)域，這與融合區(qū)組織不均勻性、焊縫本身存在一定缺陷和應(yīng)力協(xié)同作用的有關(guān)。
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