[摘要] 通過gh4033合金釬焊接頭界面斷裂力學(xué)試驗，研究了釬焊接頭界面斷裂行為，獲得了釬焊接頭界面裂紋的臨界應(yīng)變能釋放率，分析了影響界面斷裂特征的因素，為釬焊接頭界面斷裂性能評定提供了參考依據(jù)。
study on interface fracture mechanics of brazed joint
[abstract] through interface fracture mechanics test of gh4033 alloy brazed joint, the fracture behaviour of brazed joint interface is studied, its critical strain energy release rate is achieved and the factors effecting fracture characteristics of the interface are analyzed. so the reference basis is provided for evaluation of fracture performance of brazed joint interface.
keywords: brazed joint interface fracture release rate of strain energy
材料的釬焊接頭界面區(qū)是由釬縫與臨近母材組成的具有材料性能間斷特征的局部過渡區(qū)，該區(qū)域在工作環(huán)境下可能產(chǎn)生各種形式的損傷與斷裂，因此研究材料釬焊接頭界面斷裂性能對于提高釬焊構(gòu)件的可靠性具有重要意義。材料釬焊接頭界面斷裂行為與釬縫和母材的性能組配、釬焊工藝、外載形式等多種因素有關(guān)，目前尚未建立有關(guān)釬焊接頭的斷裂分析方法。已經(jīng)發(fā)展起來的界面斷裂力學(xué)理論對于釬焊接頭的斷裂分析具有實際意義，其主要研究內(nèi)容是將界面斷裂力學(xué)方法應(yīng)用于釬焊接頭的斷裂性能評定。
1 界面斷裂分析方法
界面裂紋分析是界面斷裂力學(xué)的主要研究內(nèi)容［1］，由于界面兩側(cè)材料的彈性性質(zhì)不同，材料力學(xué)性能的失配使得界面裂紋本質(zhì)上是非對稱的復(fù)合型裂紋問題（即純ⅰ型與純ⅱ型耦合在一起）。在斷裂前，裂紋同時作用有法向正應(yīng)力和切向剪應(yīng)力，裂紋面上既有張開位移又有滑開位移，因而包含張開型和滑開型應(yīng)力強度因子，其應(yīng)力強度因子為復(fù)應(yīng)力強度因子，即k=kⅰ+ikⅱ，但是復(fù)應(yīng)力強度因子并無明確的力學(xué)意義［1］。研究表明，界面裂紋的斷裂韌性是相位角ψ的函數(shù)gc（ψ），其中：
ψ=tg-1（kⅱ/kⅰ） （1）
界面的混合斷裂條件為：
g（ψ）≥gc（ψ） （2）
式中，g為界面裂紋應(yīng)變能釋放率。有研究表明，對于實際應(yīng)用而言，采用界面裂紋應(yīng)變能釋放率作為描述界面的斷裂韌性參量較為方便［2～4］。
本文針對材料的釬焊接頭具體情況，設(shè)計了四點彎曲sandwich型的界面斷裂力學(xué)試件（圖1），該類型試件能夠保證試驗過程中裂紋沿界面區(qū)擴展，且試件不會突然失穩(wěn)，此外，試件形狀簡單，加工方便。
圖1 四點彎曲加載sandwich試件
fig.1 sandwich sample of four_point bend loading
該類試件的界面裂紋應(yīng)變能釋放率可按下式計算［5～6］：
（3）其中
（平面應(yīng)力）或
（平面應(yīng)變）
式中，e1，e2和ν1,ν2分別為釬縫夾層和母材的彈性模量與泊松比；b，l分別為試件的寬度和內(nèi)外跨距；pc為臨界載荷；λ2為下側(cè)母材相對于夾層的等效長度；ic為界面裂紋以下部分單位長度橫截面對其中性軸的慣性矩；i為未開裂部分單位長度橫截面對其中性軸的等效慣性矩。
由上式可知，采用sandwich試件測定釬焊接頭界面裂紋臨界應(yīng)變能釋放率實際上是確定試件在加載過程中的裂紋啟裂點。裂紋啟裂點所對應(yīng)的載荷為臨界載荷，根據(jù)臨界載荷通過式（3）可以計算界面裂紋臨界應(yīng)變能釋放率。
2 試驗材料及方法
本試驗所用母材為高溫合金gh4033，釬料為72% ag和28% cu形成的ag-cu共晶組織釬料。gh4033在室溫下的彈性模量e為215 gpa，剪切模量μ為84 gpa，泊松比ν為0.28。取兩種試件（圖2），其特征尺寸分別為：
（1）l0=70 mm,b=12.5 mm,h1=4 mm,h2=5 mm,h=0.2 mm和h=0.5 mm；
（2）l0=80 mm,b=12.5 mm,h1=5 mm,h2=5 mm,h=0.2 mm和h=0.5 mm。
圖2 sandwich試件尺寸
fig.2 sandwich sample dimension
試件制備兩種缺口形狀（圖3），切口寬度為0.12 mm。
（a）有橫向缺口
（b）無橫向缺口
圖3 sandwich試件缺口
fig.3 notch of sandwich sample
試驗系統(tǒng)主要包括加載、測試和記錄3部分（圖4）。加載部分上跨距可調(diào)范圍為40～120 mm，下跨距可調(diào)范圍為24～84 mm。因而本加載系統(tǒng)試件適用尺寸范圍較大，并且對中性較好，承載能力較強，能夠保證試驗的精度和準(zhǔn)確性。試驗分別采用blr-1型柱式拉壓傳感器和yzj-1040型雙懸臂梁夾式引伸計測試外加載荷p和裂紋張開位移v。采樣信號經(jīng)yd-15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀放大后，通過x-y函數(shù)記錄儀繪出p-v曲線。
圖4 試驗系統(tǒng)
fig.4 test system
圖5為典型的p-v曲線，試驗結(jié)果表明，采用的釬焊接頭界面斷裂力學(xué)試驗?zāi)軌蚍从吵鲈嚰臄嗔烟卣骱烷_裂點的載荷大小。p-v曲線上明確示出了對應(yīng)于界面裂紋臨界應(yīng)變能釋放率的臨界載荷值，在試件兩側(cè)不同時開裂的情況下，曲線記錄了兩側(cè)分別開裂的*和第二突進點位置，從而較為地反映了釬焊接頭界面斷裂行為。根據(jù)p-v曲線上“突進點”處的載荷與位移值，按照式（3）可以計算出gh4033/ag-cu/gh4033釬焊接頭界面臨界裂紋應(yīng)變能釋放率，即界面斷裂韌度。
（a）
（b）
圖5 p-v曲線
fig.5 p-v curve
3 結(jié)果分析與討論
通過釬焊接頭界面斷裂試驗可以觀察到界面裂紋主要有圖6所示的3種擴散形式。試件母材的強度和韌性比ag-cu合金釬料的強度和韌性高很多，接頭力學(xué)性能組配的不均勻性導(dǎo)致界面成為整個釬焊接頭的薄弱區(qū)，裂紋一旦發(fā)生在界面區(qū)，就會沿界面區(qū)擴展見圖6（a）。隨著界面裂紋的擴展及試件彎曲度的增大，尤其當(dāng)裂紋逐漸接近內(nèi)支點時，試件彎曲撓度極大，此時由于界面裂紋的受力狀態(tài)發(fā)生變化，載荷相位角不斷改變符號，導(dǎo)致裂紋在上下界面間波動擴展見圖6（b）。如果釬料在釬焊過程中熔合比較均勻，則形成粘著力較強的界面，裂紋將選擇在釬縫中裂紋擴展阻力較小的路徑上擴展見圖6（c）。根據(jù)界面斷裂力學(xué)理論，影響界面裂紋擴展路徑的主要因素有材料組合、載荷形式、界面斷裂韌性等。其中釬料與母材的性能組合直接影響裂紋應(yīng)力應(yīng)變行為，可能導(dǎo)致界面裂紋的相互嵌入，表現(xiàn)出復(fù)雜的裂紋擴展軌跡。
圖6 界面裂紋的擴展形式
fig.6 extension of interface crack
釬料與母材性能組合對其界面區(qū)的抗斷裂性能也有較大影響，原因在于接頭形成時釬料向母材的滲透和擴散，在釬縫與母材之間形成了不同于母材和釬料成分的性能間斷的過渡界面層。釬料和母材成分搭配合理，界面層的強度和塑韌性會有所提高，甚至高于母材和釬料的強度和塑韌性，從而提高界面接頭的斷裂韌性；如果成分失配，接頭的強度和塑韌性下降，接頭的裂紋擴展抵抗力減小，就會降低接頭的斷裂韌性。
釬縫層厚度對界面臨界裂紋應(yīng)變能釋放率的影響較為復(fù)雜，與材料組合及釬焊工藝有較大關(guān)系。若僅從界面裂紋應(yīng)變能釋放率計算公式看，隨著釬縫厚度增加，應(yīng)變能釋放率增加到某一峰值后開始下降。當(dāng)釬縫厚度超過一定范圍后，式（3）就會產(chǎn)生較大誤差，需要進一步采用更為的計算方法，限于篇幅，這里不再詳細(xì)介紹。
釬焊接頭釬縫與母材的界面連接力對界面抗斷裂性能及斷裂行為具有較大影響，若形成的接頭界面性能良好，連接力強，且不存在氣孔、夾渣、未焊透及其他缺陷，則強界面連接力將使界面獲得高的抗斷裂能力，以阻止裂紋的擴展，從而提高接頭的界面斷裂韌性；反之，則削弱接頭的界面斷裂韌性。臨界裂紋應(yīng)變能釋放率是評定釬焊接頭界面區(qū)斷裂韌性的重要指標(biāo)，對于釬焊構(gòu)件的斷裂分析與釬焊質(zhì)量保證具有重要意義。
材料釬焊接頭界面斷裂力學(xué)研究是釬焊結(jié)構(gòu)完整性分析的基礎(chǔ)，本研究所完成的試驗對于釬焊接頭界面區(qū)的抗斷裂性能評定是可行的，所獲得的試驗曲線能夠確定釬焊接頭界面裂紋啟裂的臨界條件，也可以對其界面斷裂過程中裂紋的擴展行為進行分析，其研究結(jié)果為釬焊接頭界面斷裂分析提供了參考依據(jù)。