摘 要:采用 CO2 氣體保護(hù)焊對30mm 厚高強韌中錳鋼板進(jìn)行對焊試驗,通過圓棒拉壓疲勞 試驗獲得中錳鋼焊接接頭的應(yīng)力幅-壽命曲線,測定了其高周疲勞極限并觀察其斷口形貌。結(jié)果表 明:在應(yīng)力比為-1、循環(huán)次數(shù)為10 7 周次條件下,中錳鋼焊接接頭的高周疲勞極限為353 MPa;當(dāng) 中錳鋼焊接接頭焊縫中存在明顯的焊接缺陷時,疲勞裂紋萌生于微觀缺陷處,而當(dāng)焊縫中無焊接缺 陷時,疲勞裂紋萌生于試樣表面熔合線位置,疲勞裂紋擴展區(qū)表面粗糙,存在著明顯的二次裂紋,瞬 斷區(qū)表面存在大量均勻細(xì)小的韌窩。
關(guān)鍵詞:中錳鋼;CO2 氣體保護(hù)焊接頭;高周疲勞;疲勞極限;疲勞斷口
中圖分類號:TG47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)07-0047-04
0 引 言
隨著石油、天然氣等能源的開采逐漸由陸地和 淺海向深海和極地地區(qū)轉(zhuǎn)移,高強韌海洋平臺用鋼 的需求量不斷增加[1-2]。熱軋中錳鋼兼具高強度、優(yōu) 異低溫沖擊韌性、屈強比可控和低成本等特點,在海 洋平臺建造上有著廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。海洋平臺 是典型的超大焊接鋼結(jié)構(gòu),其鋼材料焊接性能的好 壞直接決定著海洋平臺的使用壽命。在焊接熱循環(huán) 作用下,中錳鋼優(yōu)異的強韌性能將會受到影響[6]。 此外,焊接接頭中存在應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和焊接缺 陷,也會進(jìn)一步降低焊接接頭的力學(xué)性能[7]。海洋平 臺在波浪、海潮和極寒流冰的環(huán)境下服役,這就要求 海洋平臺結(jié)構(gòu)在具有高強韌性的同時,還需具有較好的抗疲勞性能和抗層狀撕裂能力[8]。疲勞是指材料 在循環(huán)應(yīng)力的作用下,在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部的 永久性累積損傷,并在應(yīng)力循環(huán)一定次數(shù)后產(chǎn)生裂紋 或裂紋進(jìn)一步擴展直至發(fā)生完全斷裂的過程[9]。與 母材相比,焊接接頭對疲勞循環(huán)應(yīng)力的敏感性更高, 產(chǎn)生裂紋的危險性更大,因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂通 常發(fā)生在焊接接頭處,焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度主要取決 于焊接接頭的疲勞強度。
目前,有關(guān)熱軋中錳鋼的研究主要集中在顯微 組 織、力 學(xué) 性 能、焊 接 性 能 和 疲 勞 性 能 等 方 面[2,6,10-11],但未見有關(guān)中錳鋼焊接接頭疲勞性能的 研究報道。為此,作者對30mm 厚高強韌中錳鋼板 進(jìn)行 CO2 氣體保護(hù)焊,通過圓棒拉壓疲勞試驗獲得 中錳鋼焊接接頭的應(yīng)力幅-壽命(S-N)曲線,測定了 其高周疲勞極限,并觀察其斷口形貌,以期為中錳鋼 在海洋平臺建造上的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
1 試樣制備與試驗方法
試驗用母材為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的30mm 厚軋 制 態(tài) 中 錳 鋼 板,其 化 學(xué) 成 分 (質(zhì) 量 分 數(shù)/%)為0.05C,0.20Si,5.45Mn,0.008P,0.006S,其屈服強度 為723 MPa,抗拉強度為835 MPa,斷后伸長率為 26.34%,-40 ℃沖擊吸收功為149J。沿軋制方向 切取尺寸為400mm×200mm×30mm 的中錳鋼 板,將鋼板加工成對稱的雙 V 型坡口,單邊坡度為 30°,鈍邊寬度為2mm。用螺栓固定對焊母材的相 對位置,組對間隙為2mm。在 CO2 半自動氣體保 護(hù)焊焊機上,采用低合金高強鋼實芯焊絲對中錳鋼 板進(jìn)行對焊試驗。焊絲直徑為1.2mm,化學(xué)成分(質(zhì) 量分?jǐn)?shù)/%)為0.08C,0.51Si,1.75Mn,0.009P,0.007S; 其屈服強度為670 MPa,抗拉強度為830MPa,斷后 伸長率為19.0%,-20 ℃沖擊吸收功為105J。焊前 預(yù)熱溫度為200℃,層間溫度為180~200℃,焊接熱 輸入為15kJ·cm -1,焊后進(jìn)行200 ℃保溫120min 去氫處理,焊道分布如圖1所示。
在焊接接頭1/4厚度處垂直于焊縫方向截取尺 寸為?12mm×110mm 的光滑圓棒試樣,焊縫位于 試樣的中心,在試樣兩端分別加工出30mm 長規(guī)格 為 M12mm×1.5mm 的螺紋。由于疲勞試驗對試 樣表面粗糙度的要求較高,在對疲勞試樣工作段銑 削和精車過程中,需要嚴(yán)格控制車削速度,在與最終 尺寸相差0.1mm 時,對試樣進(jìn)行精磨,消除試樣表 面在加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,再用機械拋光的方法對工作段做最后表面處理,疲勞試樣的尺寸如 圖2所示。按照 GB/T3075—2008,在 GPS-100型 高頻疲勞試驗機上進(jìn)行高周疲勞試驗,采用縱向拉 壓的加載方式,應(yīng)力比R 為-1,循環(huán)應(yīng)力波形為正 弦波,工作頻率為150Hz,試驗溫度為室溫,采用單 試樣法建立中錳鋼焊接接頭的S-N 曲線,應(yīng)力幅為 330~450 MPa;采用升降法確定中錳鋼焊接接頭的 條件疲勞極限,升降法的應(yīng)力增量為20MPa。疲勞 試 驗 結(jié) 束 后,使 用 FEIQuanta600 型 掃 描 電 鏡 (SEM)觀察疲勞斷口微觀形貌。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 S-N 曲線
由圖3可以看出,隨著應(yīng)力幅的增加,焊接接頭 的循環(huán)次數(shù)減少。究其原因,更大的應(yīng)力幅導(dǎo)致更 大的疲勞累積損傷,加速了疲勞裂紋的萌生和擴展, 減少了疲勞斷裂所需的循環(huán)次數(shù)。此外,焊接接頭 對循環(huán)應(yīng)力的敏感性高,疲勞數(shù)據(jù)分散性較大。
圖4為中錳鋼焊接接頭在應(yīng)力比為-1時應(yīng)力 幅與壽命之間的關(guān)系曲線,即S-N 曲線。S-N 曲 線的水平直線段的應(yīng)力幅即為中錳鋼焊接接頭的疲 勞極限,疲勞極限代表中錳鋼焊接接頭在此應(yīng)力下 能經(jīng)受無限次疲勞循環(huán)而不發(fā)生斷裂。由圖 4 可 知,當(dāng)應(yīng)力比為-1時,中錳鋼焊接接頭的高周疲勞 極限為353MPa。經(jīng)回歸計算可知,中錳鋼焊接接 頭在高于條件疲勞極限的應(yīng)力幅σa 與壽命 N 滿足 以下線性關(guān)系:
2.2 疲勞斷口形貌
當(dāng)焊縫中存在焊接缺陷時,疲勞裂紋源萌生于 微觀缺陷處,疲勞源區(qū)平坦光亮,如圖5(a)所示;此 時應(yīng)力幅為430MPa,循環(huán)次數(shù)為7.31×10 4 周次, 疲勞裂紋源位于氣孔處,這是由焊縫金屬熔化時產(chǎn) 生的氣體在焊縫凝固過程中未能及時逸出而產(chǎn)生 的。當(dāng)焊縫無焊接缺陷時,疲勞裂紋萌生于試樣表 面熔合線位置,在循環(huán)應(yīng)力作用下,疲勞裂紋沿熔合線擴展,如圖5(b)所示,此時的應(yīng)力幅為390 MPa, 循環(huán)次數(shù)為8.36×10 5 周次。究其原因,中錳鋼焊 接接頭熔合線處的應(yīng)力集中較嚴(yán)重,與母材相比疲 勞強度大幅度降低,再加上焊接缺陷及殘余應(yīng)力的 存在,熔合線成為了焊接接頭疲勞性能最薄弱的環(huán) 節(jié)。疲勞裂紋擴展區(qū)存在與疲勞裂紋擴展方向一致 的放射線條,呈扇形向前擴展,而且疲勞裂紋擴展區(qū) 表面粗糙,存在明顯的二次裂紋,如圖 5(c)所示。 瞬斷區(qū)表面存在大量均勻細(xì)小的韌窩,韌窩較淺,直 徑為1~5μm,如圖5(d)所示。
2.3 疲勞強度的影響因素
由于焊接接頭中存在應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力以及 夾渣、氣孔等焊接缺陷,因此接頭的疲勞試驗數(shù)據(jù)呈 現(xiàn)出相當(dāng)大的分散性,疲勞極限也大幅度低于母材的疲勞極限(450 MPa)[11]。當(dāng)焊縫金屬中存在氣 孔時,這些氣孔可以認(rèn)為是“先天”的疲勞裂紋源,在 疲勞載荷作用下該處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得疲勞過程 直接進(jìn)入到裂紋擴展階段,從而減少了疲勞斷裂所 需的循環(huán)次 數(shù),降 低 焊 接 接 頭 的 疲 勞 強 度[12]。此 外,熔合區(qū)是焊接接頭中的一個薄弱環(huán)節(jié),該區(qū)域存 在顯微組織突變,易出現(xiàn)晶界液化現(xiàn)象,為疲勞裂紋 的萌生提供了有利條件。焊接接頭中的應(yīng)力集中主 要產(chǎn)生于焊趾、焊根等幾何不連續(xù)處,在循環(huán)載荷作 用下,在這些位置處極易萌生疲勞裂紋,最終導(dǎo)致疲 勞斷裂。若焊接接頭處存在結(jié)構(gòu)截面突變,則其應(yīng)力 集中程度更為嚴(yán)重,更容易萌生疲勞裂紋。除應(yīng)力集 中和焊接缺陷外,焊接殘余應(yīng)力是降低鋼焊接接頭疲 勞強度的另一個重要因素。由于焊接過程的復(fù)雜性 和偶然性,焊接接頭在不均勻加熱和冷卻過程中極易 產(chǎn)生殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力的存在改變了疲勞試驗過程 中的有效平均應(yīng)力水平。當(dāng)應(yīng)力比不低于0時,在循 環(huán)拉應(yīng)力作用下,殘余應(yīng)力較快得到釋放,對焊接接 頭疲勞強度的影響較小;而當(dāng)應(yīng)力比為-1時,殘余 應(yīng)力會顯著降低焊接接頭的疲勞強度[13]。
焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞主要起源于焊接接頭應(yīng)力 集中區(qū)域。在實際焊接結(jié)構(gòu)中,可采用表面機械打 磨的方法減弱焊縫及附近的缺口效應(yīng),使母材、熱影 響區(qū)和焊縫之間平緩過渡,降低焊接接頭的應(yīng)力集 中程度。當(dāng)焊縫中存在微裂紋、夾渣和氣孔等焊接 缺陷時,焊接接頭的疲勞強度取決于焊縫金屬抵抗 疲勞裂紋擴展的能力[14],此時無法采用表面機械打 磨的方法降低應(yīng)力集中。優(yōu)化焊接工藝參數(shù),可減 少焊接缺陷,提高焊接質(zhì)量,在一定程度上改善接頭 中的殘余應(yīng)力分布[15-16]。同時,合適的后熱處理工 藝可以細(xì)化熱影響區(qū)的顯微組織,降低焊接接頭內(nèi) 的殘余應(yīng)力,從而提高焊接接頭的疲勞性能[17]。
綜上可知,應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和焊接缺陷是影 響焊接接頭疲勞強度的主要因素。優(yōu)化焊接工藝參 數(shù)以降低焊接接頭應(yīng)力集中以及應(yīng)用合適的焊后熱 處理工藝消除殘余應(yīng)力是改善焊接接頭疲勞性能的 有效措施。
3 結(jié) 論
(1)當(dāng)應(yīng)力比為-1時,中錳鋼焊接接頭對循環(huán) 應(yīng)力的敏感性高,疲勞數(shù)據(jù)分散性較大,高周疲勞極 限為353MPa,在高于條件疲勞極限的應(yīng)力幅σa 和 循環(huán)次數(shù) N 的關(guān)系為σa=608.15-36.81×lgN。
(2)當(dāng)中錳鋼焊接接頭焊縫中存在明顯的焊接 缺陷時,疲勞裂紋萌生于微觀缺陷處,而當(dāng)焊縫中無 焊接缺陷時,疲勞裂紋萌生于試樣表面熔合線位置, 疲勞裂紋擴展區(qū)表面粗糙,存在著明顯的二次裂紋, 瞬斷區(qū)表面存在大量均勻細(xì)小的韌窩。
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