纳米压痕仪NHT³ | 焊接的应力应变研讨

焊接质量普通是通过焊缝质量优劣来做评定，而焊缝质量取决于所焊接的物体、焊接添补物以及所选用的焊接工艺及参数。为了更好地去优化和改进焊接工艺，对付焊缝及其热影响区举行力学性能表征是极其故意义的。

对局部弹塑性特性的兴趣导致了一种新检测技能的进展，该技能利用球形压头对焊缝及其热影响区举行局部应力应变性能表征，加载时期利用振动的压痕许可非常局部地确定试验质料的代表性应力-应变曲线。简洁的应力应变阐发在Anton-Paar压痕软件中实现。该要领可实用于焊缝及其周边差别地区的局部力学性能的表征。

01

焊缝裂纹尖端周边的弹塑性举动研究

纳米压痕仪 NHT3

通过展示仪器化纳米压痕测试要领得到低合金钢焊缝中裂纹尖端周边地区和阔别裂纹尖端地区的应力应变举动。焊缝显现裂纹通常是由焊接历程中焊缝快速凝集孕育发生的热应力引起的，或由内部显微布局的产生转变所引起的，导致硬度和屈服强度增添，但抗断裂性低落。为明晰解局部地区的应力应变举动，仪器化纳米压痕法是可以或许提供此信息的少数要领之一，局部应力应变丈量的目标是关心了解焊缝开裂的缘故原由。

图1 ： 靠近或阔别焊缝裂纹尖端局部地区的仪器化压痕测试

利用Anton-Paar纳米压痕仪NHT3搭载半径为20 µm球型针尖对两个已经存在焊缝裂纹的样品举行测试，以得到局部的应力应变举动;与传统的静态测试要领差别的是，在此次的应用案例中将采纳在加载历程增添正弦波加载方法的动态测试要领 (Sinus)，拔取最大载荷为500 mN，加载卸载速率为1000 mN/min，动态加载振幅为50 mN，频率为5 Hz。

图2：载荷位移曲线

图3：应力应变曲线

图2和图3表现了动态加载测试下得到的压痕曲线，以及从两个地区的压痕曲线中得到的应力应变曲线。可以看出裂纹尖端周边地区的屈服强度远高于阔别裂纹尖真个地区。屈服强度的增添通常与延展性的低落有关，这大概对焊缝的抗断裂韧性孕育发生至关紧张影响。在外部荷载作用下，靠近裂纹尖真个质料屈服强度增添，每每会显现比基材更早断裂的情形，是以在整个布局中是个力学单薄点。焊缝中的断裂会导致整个部件失效，是以应该去调解焊接参数，使裂纹尖端周边的质料具有较低的屈服应力和较高的抗断裂性。

02

焊接铝合金的应力应变举动研究

仪器化纳米压痕测试要领中应力应变阐发的另一个经典应用是研究金属焊缝四周的弹塑性，尤其是软金属，比方铝合金。铝合金比钢对高温更敏感，是以，研究铝合金的焊接热效应尤为更紧张。在本应用所提及的研究中，在加载历程中利用正弦颠簸态加载模式，使用球形纳米压痕针尖的特性对两种差别的铝合金焊缝周边的弹塑性举动举行局部表征。球形纳米压痕针尖用于确定靠近焊缝(地区A)且间隔焊缝约2mm(地区B)的应力应变特性。

图4：比拟间隔焊缝近的地区A和间隔焊缝2mm处地区B的应力应变举动

利用NHT3纳米压痕仪搭载半径20µm球型针尖作为表征本领，拔取的最大载荷为300 mN、加载卸载速率为600 mN/min。在加载历程中采纳正弦波的动态加载模式，振幅为30 mN，频率为5 Hz。图4展示了地区A和地区B的应力应变曲线的比力。

两个地区体现出相雷同的弹塑性举动，屈服应力约为0.3 GPa。这评释焊接历程中加热和冷却对质料的弹塑性性能的影响可以纰漏不计。然而，并非全部情形下都是云云，焊接地区的局部应力应变举动仍旧是优化焊接参数的紧张信息。

03

搅拌摩擦焊接铝合金的应力应变研究

搅拌摩擦焊(FSW)通常是铝合金焊接工艺更好地选择，而传统电弧焊因为铝的高导热性而简单孕育发生较大的热影响区。FSW中的焊接温度远低于中间打仗点，是以热效应的传导不如弧焊中显着。在这种情形下，将两种差别的铝合金AA6111-T4(T4)和AA6061-T6(T6)焊接在一路，并在间隔熔核中间位置的1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm处研究硬度、弹性模量和屈服应力。

以下参数用于压痕：最大载荷300 mN，加载速率600 mN/min，动态加载模式下拔取振幅30 mN，频率5 Hz。

图5的效果评释随着距熔核间隔的增添，所体现出的应力应变举动大抵一样，仅存在微小差别。在全部的三个地区的屈服应力约莫为0.33 GPa(两种基材中的屈服应力约莫为0.27 GPa，图中未表现)。母材的硬度为0.8 GPa(T4合金)和1.1 GPa(T6合金)。全部三个地区(距焊缝熔核1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm)的硬度均为1.1 GPa，这证明焊缝周边的弹塑性能并没有产生明显改变。