摘 要:采用 CO2 氣體保護焊對30mm 厚高強韌中錳鋼板進行對焊試驗,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。結果表 明:在應力比為-1、循環(huán)次數為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 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。
關鍵詞:中錳鋼;CO2 氣體保護焊接頭;高周疲勞;疲勞極限;疲勞斷口
中圖分類號:TG47 文獻標志碼: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用前景[3-5]。海洋平臺 是典型的超大焊接鋼結構,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,焊接接頭中存在應力集中、殘余應力和焊接缺 陷,也會進一步降低焊接接頭的力學性能[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 海洋平臺結構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)應力的作用下,在一處或幾處逐漸產生局部的 永久性累積損傷,并在應力循環(huán)一定次數后產生裂紋 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)應力的敏感性更高, 產生裂紋的危險性更大,因此焊接結構的疲勞斷裂通 常發(fā)生在焊接接頭處,焊接結構的疲勞強度主要取決 于焊接接頭的疲勞強度。
目前,有關熱軋中錳鋼的研究主要集中在顯微 組 織、力 學 性 能、焊 接 性 能 和 疲 勞 性 能 等 方 面[2,6,10-11],但未見有關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用奠定基礎。
1 試樣制備與試驗方法
試驗用母材為國內某鋼廠生產的30mm 厚軋 制 態(tài) 中 錳 鋼 板,其 化 學 成 分 (質 量 分 數/%)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1.2mm,化學成分(質 量分數/%)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 預熱溫度為200℃,層間溫度為180~200℃,焊接熱 輸入為15kJ·cm -1,焊后進行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,需要嚴格控制車削速度,在與最終 尺寸相差0.1mm 時,對試樣進行精磨,消除試樣表 面在加工過程中產生的殘余應力,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行高周疲勞試驗,采用縱向拉 壓的加載方式,應力比R 為-1,循環(huán)應力波形為正 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,升降法的應力增量為20MPa。疲勞 試 驗 結 束 后,使 用 FEIQuanta600 型 掃 描 電 鏡 (SEM)觀察疲勞斷口微觀形貌。
