钎焊接头界面断裂力学试验研究

HEATS

材料的钎焊接头界面区是由钎缝与临近母材组成的具有材料性能间断特征的局部过渡区，该区域在工作环境下可能产生各种形式的损伤与断裂，因此研究材料钎焊接头界面断裂性能对于提高钎焊构件的可靠性具有重要意义。材料钎焊接头界面断裂行为与钎缝和母材的性能组配、钎焊工艺、外载形式等多种因素有关，目前尚未建立有关钎焊接头的断裂分析方法。已经发展起来的界面断裂力学理论对于钎焊接头的断裂分析具有实际意义，其主要研究内容是将界面断裂力学方法应用于钎焊接头的断裂性能评定。

1　界面断裂分析方法

　　界面裂纹分析是界面断裂力学的主要研究内容^［1］，由于界面两侧材料的弹性性质不同，材料力学性能的失配使得界面裂纹本质上是非对称的复合型裂纹问题(即纯Ⅰ型与纯Ⅱ型耦合在一起)。在断裂前，裂纹尖端同时作用有法向正应力和切向剪应力，裂纹面上既有张开位移又有滑开位移，因而包含张开型和滑开型应力强度因子，其应力强度因子为复应力强度因子，即K=K_Ⅰ+iK_Ⅱ，但是复应力强度因子并无明确的力学意义^［1］。研究表明，界面裂纹的断裂韧性是相位角ψ的函数G_C（ψ)，其中：

6 K* S/ [, s0 ~6 C' J) l' k

ψ=tg^-1(K_Ⅱ/K_Ⅰ)     (1)

7 e$ }3 i8 f0 h7 L" ~( ?

　　界面的混合断裂条件为：

* f* F2 J# ]+ M& e3 a

G(ψ)≥G_C(ψ)     (2)

* e/ |$ N8 m/ M8 i

式中，G为界面裂纹应变能释放率。有研究表明，对于实际应用而言，采用界面裂纹应变能释放率作为描述界面的断裂韧性参量较为方便^［2～4］。
　　本文针对材料的钎焊接头具体情况，设计了四点弯曲Sandwich型的界面断裂力学试件(图1)，该类型试件能够保证试验过程中裂纹沿界面区扩展，且试件不会突然失稳，此外，试件形状简单，加工方便。

( h" n. D0 P; E( I* q

图1　四点弯曲加载Sandwich试件

8 W( o m# _. q8 x/ B U% @ b: f

Fig.1　Sandwich sample of four^_point bend loading

　　该类试件的界面裂纹应变能释放率可按下式计算^［5～6］：

      (3) & G6 V" R. U8 o; w2 Y" X( {

其中

(平面应力) 3 [& B; N' n' _8 f5 A# T; y

或

(平面应变)

' V# B8 m; ?! z2 P; m) c

 

 

式中，E₁，E₂和ν₁,ν₂分别为钎缝夹层和母材的弹性模量与泊松比；B，L分别为试件的宽度和内外跨距；P_C为临界载荷；λ₂为下侧母材相对于夹层的等效长度；I_C为界面裂纹以下部分单位长度横截面对其中性轴的惯性矩；I为未开裂部分单位长度横截面对其中性轴的等效惯性矩。
　　由上式可知，采用Sandwich试件测定钎焊接头界面裂纹临界应变能释放率实际上是确定试件在加载过程中的裂纹启裂点。裂纹启裂点所对应的载荷为临界载荷，根据临界载荷通过式(3)可以计算界面裂纹临界应变能释放率。

2　试验材料及方法

　　本试验所用母材为高温合金GH4033，钎料为72% Ag和28% Cu形成的Ag-Cu共晶组织钎料。GH4033在室温下的弹性模量E为215 GPa，剪切模量μ为84 GPa，泊松比ν为0.28。取两种试件(图2)，其特征尺寸分别为：
　　(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。

; v3 i' u) F( a! G; {$ l

) f1 N& T# j; i9 B* J" [" \

图2　Sandwich试件尺寸

, A- K. Q% ~/ X! D* s

Fig.2　Sandwich sample dimension

　　试件制备两种缺口形状(图3)，切口宽度为0.12 mm。

9 d8 U% u/ w; R6 O! V

(a)有横向缺口

(b)无横向缺口

图3　Sandwich试件缺口

! z9 ]$ ` ]6 z. e3 S& R# Y% p8 j5 D

Fig.3　Notch of sandwich sample

0 h' B4 \ Y% _7 F% e! y

　　试验系统主要包括加载、测试和记录3部分(图4)。加载部分上跨距可调范围为40～120 mm，下跨距可调范围为24～84 mm。因而本加载系统试件适用尺寸范围较大，并且对中性较好，承载能力较强，能够保证试验的精度和准确性。试验分别采用BLR-1型柱式拉压传感器和YZJ-1040型双悬臂梁夹式引伸计测试外加载荷P和裂纹张开位移V。采样信号经YD-15型动态电阻应变仪放大后，通过X-Y函数记录仪绘出P-V曲线。

1 I% s5 f4 U, \! f' u* a. Z' k

: j% }3 N9 V5 V9 b" m2 I: B: U# N

图4　试验系统

1 c3 T/ q1 S8 k8 V! G4 W6 ?

Fig.4　Test system

8 v2 M) _" `7 G8 x, O# i( o

　　图5为典型的P-V曲线，试验结果表明，采用的钎焊接头界面断裂力学试验能够反映出试件的断裂特征和开裂点的载荷大小。P-V曲线上明确示出了对应于界面裂纹临界应变能释放率的临界载荷值，在试件两侧不同时开裂的情况下，曲线记录了两侧分别开裂的第一和第二突进点位置，从而较为精确地反映了钎焊接头界面断裂行为。根据P-V曲线上“突进点”处的载荷与位移值，按照式(3)可以计算出GH4033/Ag-Cu/GH4033钎焊接头界面临界裂纹应变能释放率，即界面断裂韧度。

0 B6 s2 z5 S4 S# k

(a)

, |. n$ t, Z6 V, e- ~

(b)

4 `; h0 c x8 M/ ~/ p, Y4 G6 H8 w

图5　P-V曲线

Fig.5　P-V curve

+ u* ^ ^/ G5 E9 P5 @% U. B1 ?

3　结果分析与讨论

　　通过钎焊接头界面断裂试验可以观察到界面裂纹主要有图6所示的3种扩散形式。试件母材的强度和韧性比Ag-Cu合金钎料的强度和韧性高很多，接头力学性能组配的不均匀性导致界面成为整个钎焊接头的薄弱区，裂纹一旦发生在界面区，就会沿界面区扩展见图6(a)。随着界面裂纹的扩展及试件弯曲度的增大，尤其当裂纹尖端逐渐接近内支点时，试件弯曲挠度极大，此时由于界面裂纹尖端的受力状态发生变化，载荷相位角不断改变符号，导致裂纹在上下界面间波动扩展见图6(b)。如果钎料在钎焊过程中熔合比较均匀，则形成粘着力较强的界面，裂纹将选择在钎缝中裂纹扩展阻力较小的路径上扩展见图6(c)。根据界面断裂力学理论，影响界面裂纹扩展路径的主要因素有材料组合、载荷形式、界面断裂韧性等。其中钎料与母材的性能组合直接影响裂纹尖端应力应变行为，可能导致界面裂纹的相互嵌入，表现出复杂的裂纹扩展轨迹。

6 y2 _. M) ^. z- C' G5 C

图6　界面裂纹的扩展形式

Fig.6　Extension of interface crack

　　钎料与母材性能组合对其界面区的抗断裂性能也有较大影响，原因在于接头形成时钎料向母材的渗透和扩散，在钎缝与母材之间形成了不同于母材和钎料成分的性能间断的过渡界面层。钎料和母材成分搭配合理，界面层的强度和塑韧性会有所提高，甚至高于母材和钎料的强度和塑韧性，从而提高界面接头的断裂韧性；如果成分失配，接头的强度和塑韧性下降，接头的裂纹扩展抵抗力减小，就会降低接头的断裂韧性。
　　钎缝层厚度对界面临界裂纹应变能释放率的影响较为复杂，与材料组合及钎焊工艺有较大关系。若仅从界面裂纹应变能释放率计算公式看，随着钎缝厚度增加，应变能释放率增加到某一峰值后开始下降。当钎缝厚度超过一定范围后，式(3)就会产生较大误差，需要进一步采用更为精确的计算方法，限于篇幅，这里不再详细介绍。
　　钎焊接头钎缝与母材的界面连接力对界面抗断裂性能及断裂行为具有较大影响，若形成的接头界面性能良好，连接力强，且不存在气孔、夹渣、未焊透及其他缺陷，则强界面连接力将使界面获得高的抗断裂能力，以阻止裂纹的扩展，从而提高接头的界面断裂韧性；反之，则削弱接头的界面断裂韧性。临界裂纹应变能释放率是评定钎焊接头界面区断裂韧性的重要指标，对于钎焊构件的断裂分析与钎焊质量保证具有重要意义。
　　材料钎焊接头界面断裂力学研究是钎焊结构完整性分析的基础，本研究所完成的试验对于钎焊接头界面区的抗断裂性能评定是可行的，所获得的试验曲线能够确定钎焊接头界面裂纹启裂的临界条件，也可以对其界面断裂过程中裂纹的扩展行为进行分析，其研究结果为钎焊接头界面断裂分析提供了参考依据。