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Svoboda H G, Tufaro L N, Alvarez G, et al. Local mechanical properties of thin sheet AA6061 aluminum alloy friction stir welds evaluated by small punch test (SPT)[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2026, 42: 15-24.
Svoboda, H. G., et al. "Local mechanical properties of thin sheet AA6061 aluminum alloy friction stir welds evaluated by small punch test (SPT)." Journal of Materials Research and Technology (2026): 15-24. (): .
Svoboda, H. G., Tufaro, L. N., Alvarez, G., Belzunce, F. J., & Rodríguez, C. (2026). Local mechanical properties of thin sheet AA6061 aluminum alloy friction stir welds evaluated by small punch test (SPT). Journal of Materials Research and Technology, 42, 15-24., .
背景简介
A6061-T6铝合金因其优异的综合性能而被广泛应用于航空航天、汽车等领域。其搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding , FSW）接头在焊后溶液热处理（Post Weld Heat Treatment , PWHT）过程中，焊核区（Weld Nugget , WN）可能发生异常晶粒生长（Abnormal Grain Growth , AGG）。尽管AGG对硬度和抗拉强度影响不大，但可能严重损害该区域的韧性。目前，关于AGG如何影响接头局部力学性能（尤其是韧性）的研究较为缺乏。小冲杆测试（Small Punch Tests , SPT）作为一种微型试样测试技术，能够有效评估焊接接头不同区域（如焊核区、热影响区）的局部力学性能。本研究旨在应用一种基于SPT的新方法，系统评估AA6061-T6薄板搅拌摩擦焊接头各区域的局部力学性能，并重点分析焊后热处理引起的异常晶粒长大对焊缝熔核区韧性的影响。
成果介绍
（1）研究建立并验证了基于小冲杆测试评估搅拌摩擦焊接头局部力学性能的新方法。研究从焊态和焊后热处理两种条件下的接头不同位置系统提取小冲杆试样，获得了完整的载荷-位移曲线（图1）。通过经验公式，成功估算出了各区域的屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率及断裂韧性等关键参数。估算出的接头效率与横向拉伸试验结果高度一致（如焊态下SPT估算与拉伸测试的接头效率均约为 55%），证明了该方法的有效性和可靠性。该方法能够全面评估接头各微小区域的力学性能，其提供的信息远比显微硬度分布更为丰富。图2展示了小冲杆试验的取样位置示意图。
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图1 AW与PWHT两种材料的SPT载荷-位移曲线
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图2 样品提取方案：a）拉伸试验（T1和T2）与弯曲试验（BT）；b）SPT试验及金相分析(M)。每个SPT试样的中心位置相对于WCL轴的坐标均以mm为单位标注
（2）定量揭示了焊后热处理在恢复接头强度的同时，因异常晶粒长大导致焊缝熔核区韧性显著下降。显微硬度测试表明（图3），焊后热处理后，整个接头的硬度得到恢复并趋于均匀，硬度指数（IH）达到1。横向拉伸测试也证实强度显著恢复，接头效率从焊态的55%提升至87%（表1）。然而，微观组织观察发现，焊后热处理在焊缝熔核区引发了显著的异常晶粒长大，晶粒尺寸可超过400 μm（图4）。小冲杆测试的断裂能（Wmax/t2）分析表明（图5），焊后热处理后，熔核区的韧性（Wmax/t2 ≈ 1.3-1.6 kJ/m2）相较于母材（约2.3-2.9 kJ/m2）下降了约40%。等效双轴断裂应变（εqf）的结果也印证了这一点：熔核区的εqf值（0.38）显著低于热影响区（0.72）和母材（0.71）（表2）。这证明异常晶粒长大是导致熔核区韧性恶化的主要原因。
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图3 两种条件下的显微硬度分布曲线：AW与 PWHT
表1 AW与PWHT条件下FSWed接头的力学性能
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图4 PWHT样品WN区域出现异常晶粒生长（AGG）
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图5 AW与PWHT两种工况下的吸收能量（Wmax/t2）曲线
表2 断裂时的平均双轴变形（εqf）结果，针对PWHT条件下的BM、HAZ及WN区域
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（3）明确了小冲杆测试可有效区分并评估接头各区域的强度与韧性性能。小冲杆载荷-位移曲线分析显示，在焊态下，从母材到熔核区，屈服载荷和最大载荷逐渐降低，而最大载荷点位移逐渐增加，表明强度下降、塑性增加（图6 左）。在焊后热处理条件下，除熔核区外，接头各区域的曲线行为趋于均匀（图6 右）。通过经验公式估算的局部屈服强度和抗拉强度分布图（图7）与显微硬度分布图（图3）形态高度相似，验证了SPT评估局部强度的能力。同时，基于断裂能（Wmax/t2）和等效断裂应变（εqf）的评估，清晰揭示了焊后热处理后熔核区独有的韧性劣化现象，这是硬度测试和拉伸测试无法直接反映的。
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图6 AW与 PWHT 两种材料的SPT载荷-位移曲线
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图7 极限抗拉强度（σUTSSPT）和屈服强度（σysSPT）是通过焊接接头各分析位置的SPT测试结果估算得出，适用于AW和PWHT两种焊接条件
（4）本研究证实了焊后热处理使接头强度性能趋于均匀，但会导致韧性的不均匀分布。通过研究关联分析发现，焊后热处理后，接头各区域的硬度和估算的强度（σysSPT, σUTSSPT）分布变得非常均匀（图3，图7），整体性能接近甚至部分超过母材，实现了强度的有效恢复与均质化。然而，韧性参数（Wmax/t2, εqf）的分布并未同步均匀化，在熔核区出现了明显的“韧性低谷”。这种强度与韧性变化的不同步性，对于评估接头在复杂载荷下的整体性能和安全可靠性具有重要工程意义。该研究首次系统揭示了异常晶粒长大对AA6061-T6搅拌摩擦焊接头熔核区韧性的具体影响程度。
致谢
感谢阿根廷布宜诺斯艾利斯大学（项目编号：UBAINT 2019， PIDAE 2024 N°43）和阿根廷国家科学与技术研究理事会（ANPCyT，项目编号：PICT 2017 N° 3782）为本研究提供的资金支持。同时感谢CITEDEF材料部、INTI-Mecanica、奥维耶多大学SIMUMECAMAT研究组以及INTECIN的GTSyCM3团队人员的协作。SIMUMECAMAT研究组亦感谢阿斯图里亚斯公国通过科技与创新计划（项目编号：IDI/2018/0000134）提供的帮助。本文第一作者和通讯作者：H.G. Svoboda (Universidad de Buenos Aires)。
本期小编：郭子键 （整理）
罗凌颖 （校对）
刘昊东 （审核）
董乃健 （发布）
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