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        S355鋼T形接頭高周疲勞性能

        2022-07-15 03:14:22程艷艷
        焊接 2022年6期
        關(guān)鍵詞:珠光體鐵素體斷口

        程艷艷

        (1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,長(zhǎng)春 130062;2.吉林化工學(xué)院,吉林 吉林 132022)

        0 前言

        隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市交通壓力逐漸增大,對(duì)出行工具提出了更高的要求。軌道客車具有快捷、方便和間隔時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),對(duì)其需求日益增加,因此軌道客車產(chǎn)業(yè)愈加受到重視。重要裝置的焊接部位在車輛行駛中承受多個(gè)方向的動(dòng)載荷[1-2],這要求焊接母材具有良好的使用性能。目前S355鋼常用于軌道客車焊接構(gòu)件,其為一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和抗疲勞強(qiáng)度[3-5]。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量影響軌道客車的安全性和可靠性,很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[6-8]。許鴻吉等人[9-10]對(duì)S355鋼半自動(dòng)氣體保護(hù)焊焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行了研究;嚴(yán)春妍等人[11]分析了激光-MIG復(fù)合焊的焊接接頭顯微組織、硬度分布規(guī)律,焊接過(guò)程溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布;趙軼磊等人[12-13]研究了MAG焊的焊接接頭組織和力學(xué)性能。

        除了S355鋼焊接接頭的組織和性能,焊接接頭的疲勞性能也會(huì)對(duì)承載構(gòu)架質(zhì)量產(chǎn)生影響[14-15],因此對(duì)焊接接頭進(jìn)行疲勞性能分析具有重要意義。文中以S355鋼MIG焊T形接頭為研究對(duì)象,分析焊接接頭的顯微組織和硬度,研究焊接接頭的高周疲勞性能,對(duì)斷口形貌進(jìn)行分析。該研究結(jié)果可對(duì)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

        1 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)選用厚度為14.5 mm的S355鋼板,化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用MIG焊接方法,T形接頭,焊絲選用直徑1.2 mm的ER80S-G實(shí)心焊絲,化學(xué)成分見(jiàn)表2。

        表1 S355鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 ER80S-G實(shí)心焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        焊接時(shí)保護(hù)氣體為高純度氬氣,按照焊接工藝預(yù)熱,T形接頭的焊角尺寸按照EN15085—2007標(biāo)準(zhǔn)控制,表3為焊接工藝參數(shù)。

        表3 焊接工藝參數(shù)

        對(duì)全部試樣進(jìn)行著色探傷,檢驗(yàn)合格后在焊件上切取T形接頭試樣,用砂紙研磨后在拋光機(jī)上拋光,采用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,制成金相試樣,然后在MPC-400倒置金相顯微鏡上對(duì)試樣進(jìn)行觀察和分析。依據(jù)ENIS09015:2011標(biāo)準(zhǔn)使用HVS-1000型顯微硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試分析,測(cè)試點(diǎn)在a,b,c 3條線上,位置如圖1所示,其中a和c線上的測(cè)試點(diǎn)均在焊縫下2 mm內(nèi)。

        圖1 T形接頭硬度測(cè)試位置示意圖

        在INSTRON 880L疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn),T形接頭疲勞試樣尺寸如圖2所示。疲勞試驗(yàn)用應(yīng)力控制,正弦波加載,應(yīng)力比R=0.1,選用5個(gè)應(yīng)力范圍水平測(cè)試,使用JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察。

        圖2 疲勞試樣尺寸

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 焊接接頭組織和硬度分析

        S355鋼MIG焊T形接頭分為打底層、填充層和蓋面層,以蓋面焊為例分析焊接接頭的顯微組織,圖3為S355鋼MIG焊T形接頭的顯微組織。從圖3a可以看出焊縫中分布有沿奧氏體晶界生長(zhǎng)的塊狀和板條狀先共析鐵素體,鐵素體周圍析出珠光體,局部區(qū)域有少量小島狀復(fù)相組織的粒狀貝氏體,晶粒內(nèi)部有少量針狀鐵素體。圖3b為熔合區(qū),顯微組織主要為先共析鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體。該區(qū)是焊縫和熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)域,焊接時(shí)局部金屬晶粒熔化,化學(xué)成分及組織不均勻,且晶粒大小不一致。圖3c為過(guò)熱區(qū),晶粒較粗大且不均勻,顯微組織為鐵素體和珠光體,并分布有少量粒狀貝氏體。圖3d為正火區(qū),顯微組織為細(xì)小均勻的塊狀鐵素體和珠光體。圖3e為母材區(qū),該區(qū)域不受焊接熱循環(huán)影響,可以看到呈條帶狀垂直于軋制方向分布的珠光體和鐵素體。

        焊接接頭的硬度分布如圖4所示,可以看出T形接頭中a,b,c 3條線上的硬度分布規(guī)律一致,熱影響區(qū)和焊縫的硬度均高于母材,最高硬度都出現(xiàn)在熱影響區(qū)。不同位置的硬度值均在允許范圍內(nèi),符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)ENISO 15614—1:2017[16]的要求。

        2.2 疲勞性能分析

        在高于實(shí)際工作應(yīng)力下對(duì)S355鋼T形焊接接頭進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

        依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 24176—2009對(duì)表4中的疲勞數(shù)據(jù)處理,采用最小二乘法進(jìn)行擬合,得到S355鋼T形接頭的疲勞S-N曲線,如圖5所示,表達(dá)式為

        圖5 S355鋼T形接頭S-N曲線

        表4 S355鋼T形焊接接頭試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

        (1)

        2.3 斷口形貌分析

        通過(guò)疲勞斷裂試件,分析S355鋼T形焊接接頭疲勞斷裂情況,如圖6所示??梢钥吹讲煌瑧?yīng)力范圍疲勞試驗(yàn)后,試件斷裂部位均在T形接頭端部的焊趾處。這是由于焊件為T形接頭,焊縫向母材金屬過(guò)渡處有明顯的截面變化,在疲勞試驗(yàn)交變載荷作用下應(yīng)力集中系數(shù)比試樣其它位置高,且該處焊縫厚度較薄,有一定淬硬傾向,故容易在該處斷裂。

        圖6 疲勞斷裂后的試件

        S355鋼T形焊接接頭疲勞宏觀斷口形貌如圖7所示,疲勞斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū),能夠看到明顯的疲勞弧線,具有疲勞斷裂的典型特征。疲勞裂紋通常起源于試樣表面、缺陷處或者應(yīng)力最大處,試驗(yàn)中疲勞裂紋萌生在應(yīng)力集中的T形接頭端部焊趾處,在斷口上存在多處疲勞源。疲勞裂紋逐步向板厚方向擴(kuò)展,形成表面光滑并伴有放射紋路的擴(kuò)展區(qū),占據(jù)斷面的大部分區(qū)域。瞬時(shí)斷裂區(qū)位于斷口兩側(cè),表面較粗糙,在斷口邊緣有剪切唇。

        圖7 S355鋼T形接頭疲勞斷口宏觀形貌

        采用SEM對(duì)S355鋼T形接頭疲勞斷口進(jìn)行觀察,微觀形貌如圖8所示。疲勞裂紋萌生于焊趾處的尺寸較小的疏松處,該處的強(qiáng)度較弱,且應(yīng)力集中,放射紋向周圍擴(kuò)展,如圖8a所示。圖8b為疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌,能夠看到疲勞條帶,多處產(chǎn)生了二次裂紋。圖8c為疲勞瞬斷區(qū),可以看到許多大小不一的韌窩,且有朝一個(gè)方向的撕裂跡象。

        圖8 S355鋼T形接頭疲勞斷口微觀形貌

        3 結(jié)論

        (1)S355鋼T形接頭的焊縫組織為先共析鐵素體、珠光體、粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體。熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)組織類似,正火區(qū)的晶粒較其它區(qū)域均勻細(xì)小。焊接接頭的硬度符合焊接工藝評(píng)定要求,其中熱影響區(qū)的硬度最高。

        (3)在軸向高應(yīng)力作用下S355鋼T形接頭疲勞斷口存在多個(gè)疲勞源,萌生于兩側(cè)的端部焊趾疏松處;疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有疲勞條帶及二次裂紋;瞬斷區(qū)有大量韌窩,具有韌性斷裂的典型形貌。

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