齊祥羽，嚴 玲，杜林秀，李廣龍，張 鵬，王曉航

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，鞍山 114009;2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，鞍山 114009;3.東北大學(xué)，軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

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30 mm厚高強韌中錳鋼板進行CO2氣體保護焊，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30 mm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149 J。沿軋制方向切取尺寸為400 mm×200 mm×30 mm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2 mm。用螺栓固定對焊母材的相對位置，組對間隙為2 mm。在CO2半自動氣體保護焊焊機上，采用低合金高強鋼實芯焊絲對中錳鋼板進行對焊試驗。焊絲直徑為1.2 mm，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(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830 MPa，斷后伸長率為19.0%，-20 ℃沖擊吸收功為105 J。焊前預(yù)熱溫度為200 ℃，層間溫度為180～200 ℃，焊接熱輸入為15 kJ·cm-1，焊后進行200 ℃保溫120 min去氫處理，焊道分布如圖1所示。

圖1 CO2氣體保護焊道分布示意Fig.1 Diagram of CO2 gas shielded welding pass distribution

在焊接接頭1/4厚度處垂直于焊縫方向截取尺寸為φ12 mm×110 mm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30 mm長規(guī)格為M12 mm×1.5 mm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，需要嚴格控制車削速度，在與最終尺寸相差0.1 mm時，對試樣進行精磨，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/T 3075—2008，在GPS-100型高頻疲勞試驗機上進行高周疲勞試驗，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150 Hz，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20 MPa。疲勞試驗結(jié)束后，使用FEI Quanta 600型掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口微觀形貌。

圖2 中錳鋼焊接接頭疲勞試樣的尺寸Fig.2 Dimension of fatigue specimen for medium-Mn steel welded joint

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3 中錳鋼焊接接頭的應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Curve of stress amplitude vs number of cycle of medium-Mn steel welded joint

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，當應(yīng)力比為-1時，中錳鋼焊接接頭的高周疲勞極限為353 MPa。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：

圖4 中錳鋼焊接接頭的S-N曲線Fig.4 S-N curve of medium-Mn steel welded joint

σa=608.15-36.81×lgN

(1)

2.2 疲勞斷口形貌

當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430 MPa，循環(huán)次數(shù)為7.31×104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8.36×105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小的韌窩，韌窩較淺，直徑為1～5 μm，如圖5(d)所示。

圖5 中錳鋼焊接接頭的疲勞斷口形貌Fig.5 Fatigue fracture morphology of medium-Mn steel welded joint：(a) fatigue crack source at pore in weld (σa=430 MPa，N=7.31×104 cycle); (b) fatigue crack source at fusion line (σa=390 MPa，N=8.36×105 cycle); (c) amplification of fatigue crack propagation area in Fig.(b) and (d) amplification of transient fracture area in Fig.(b)

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]。當焊縫金屬中存在氣孔時，這些氣孔可以認為是“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?。欢攽?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353 MPa，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小的韌窩。