王 穎，宋宗賢，王東坡，鄧彩艷，趙小輝，劉亞驕

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2. 天津大學天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300072；3. 天津城市建設學院能源與安全工程學院，天津 300384)

EH36鋼焊接接頭在超長壽命區(qū)間的疲勞性能

王 穎1,2，宋宗賢1,2，王東坡1,2，鄧彩艷1,2，趙小輝1,2，劉亞驕3

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2. 天津大學天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300072；3. 天津城市建設學院能源與安全工程學院，天津 300384)

采用自行研制的TJU-HJ-I型超聲疲勞試驗裝置對EH36鋼無余高焊接接頭在超長壽命區(qū)間的疲勞性能進行研究．試驗結果表明：在107循環(huán)周次以后試件仍然會在焊接接頭發(fā)生斷裂，并且S-N曲線仍呈下降趨勢，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的疲勞極限．盡管不存在余高，焊接接頭表面不存在應力集中，但是大部分試件仍然在焊接接頭處斷裂．通過掃描電子顯微鏡分析斷口可以觀察到，裂紋源大部分處于表面機械加工微痕及次表面微觀缺陷處．另外，焊接接頭中缺陷引起的“魚眼”與母材中的“魚眼”并不完全相同，前者的魚眼中不存在視覺黑暗區(qū)．

無余高焊接接頭；超聲疲勞試驗；魚眼

當今，焊接已成為機械制造工業(yè)中最主要的連接方法，然而焊接結構卻不斷發(fā)生斷裂事故，其中80%～90%是疲勞失效[1-2]．EH36鋼是常用的低合金高強船體結構用鋼，廣泛應用于船體、海上平臺等海洋工程結構上．海洋結構在實際服役過程中受到的疲勞循環(huán)載荷會達到108周次，已經(jīng)進入超長壽命區(qū)間．傳統(tǒng)的觀點認為在這一壽命區(qū)間內(nèi)不會發(fā)生疲勞斷裂，因為已經(jīng)進入了一個無限壽命階段[3-4]，然而實際焊接結構在經(jīng)過108～1010甚至高于1010周次后發(fā)生疲勞斷裂的事例時有發(fā)生．鑒于理論與事實之間存在矛盾，對超長壽命區(qū)間焊接接頭疲勞性能的研究具有重大意義[5-6]．

筆者采用無余高的焊接接頭進行疲勞試驗，主要目的是在不考慮應力集中的情況下探討焊接接頭超長壽命區(qū)間的疲勞性能．

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

無余高焊接接頭試樣是從EH36鋼平板對接焊接接頭上截取的，焊縫位于試樣中心．其中，焊接方法采用二氧化碳氣體保護焊，焊絲采用SQJ 501．EH36鋼的化學成分及力學性能見表1[7]和表2[7]．根據(jù)超聲變幅桿原理[8]設計試件，試件的取樣及尺寸如圖1所示．

表1 EH36鋼的化學組成(質量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of EH36 steel (mass fraction) %

表2 EH36鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of EH36 steel

圖1 試樣位置及尺寸Fig.1 Location and dimension of specimen

1.2 疲勞試驗方法

試驗前將試樣打磨光滑，試驗在自制的TJU-HJI型超聲疲勞試驗裝置上進行．施加載荷為軸向拉-壓對稱循環(huán)載荷，應力比R=-1，頻率約為20,kHz，在室溫下進行，用循環(huán)水冷卻的方式控制試件升溫，試驗裝置如圖2所示．

圖2 超聲疲勞試驗設備Fig.2 Ultrasonic fatigue testing equipment

2 試驗結果與分析

2.1 無余高焊接接頭的S-N曲線

焊接接頭超長壽命區(qū)間的應力-疲勞壽命曲線(S-N曲線)如圖3所示．由圖可知：曲線以m=14.3的斜率持續(xù)下降，由于試樣的尺寸很小，中間平行段直徑只有4.8,mm，且不同試樣接頭中所含缺陷的大小、種類以及分布不盡相同，使得超長壽命區(qū)間疲勞壽命差異較大，數(shù)據(jù)點比較分散．當循環(huán)周次為107時，應力范圍為700,MPa；當循環(huán)周次為109時，應力范圍為514,MPa，應力范圍下降了27%，并且在109周次以后仍然呈現(xiàn)下降的趨勢．盡管國際焊接學會疲勞規(guī)范中將疲勞極限由5×106循環(huán)周次提高到107循環(huán)周次，但對于在超長壽命區(qū)間服役的焊接構件按照此標準進行疲勞設計仍然是很危險的．

圖3 無余高焊接接頭的S-N曲線Fig.3 S-N curve of butt welds ground flush

2.2 斷裂位置及斷口形貌

在掃描電子顯微鏡下分析試樣斷口可以觀察到斷裂在接頭處的斷口凹凸不平，而斷裂在母材的斷口比較平整，如圖4和圖5所示．這是由于接頭處的缺陷較多，含氫量較母材高(見圖6[9])，組織不均勻，而母材的組織比較均勻，斷面比較齊平．

圖4 母材斷口Fig.4 Fracture of base material

觀察裂紋源可以發(fā)現(xiàn)，裂紋源大多處于表面的機械加工微痕(圖7)和次表面的缺陷處．圖8為次表面的圓形夾雜物及其能譜分析，其中含鋁25.42%，氧27.11%，鈣15.26%，表明此夾雜物為氧化物夾雜．圖9為次表面的氣孔，可以看出裂紋由氣孔中心向四周逐漸擴展．

圖5 無余高焊接接頭斷口Fig.5 Fracture of butt welds ground flush

圖6 氫沿焊接接頭橫斷面的分布Fig.6 Distribution of hydrogen along transverse of welding joint

圖7 表面微痕引起的裂紋源Fig.7 Crack source on surface

試件斷裂后用4%的硝酸酒精腐蝕觀察斷裂位置，發(fā)現(xiàn)大部分試件在靠近熔合線焊縫及熱影響區(qū)處斷裂，很少在焊縫中心斷裂(如圖10所示)．大部分斷裂于熔合線附近的原因是因為焊接過程中不可避免地會有氫的引入，氫在焊接接頭橫截面上的分布特征如圖6所示，本試驗采用鈦型焊材，曲線2表示了本試驗接頭氫的分布，可知在熔合線處含量最高．室溫下氫會使鋼的韌性下降，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，并且此試樣在此處存在夾雜物如圖8所示，在載荷作用下會在此處存在應力集中，同時氫會向熔合線處夾雜物附近聚集，加速了裂紋的擴展．

圖8 次表面圓形夾雜物及其能譜分析Fig.8 Circular inclusion on subsurface and energy spectrum analysis of inclusion

圖9 次表面氣孔Fig.9 Porosity on the subsurface

圖10 斷裂于接頭的試件宏觀照片F(xiàn)ig.10 Macrograph of fatigue failure position of flush welded joint

斷裂的另一個原因是熱影響區(qū)存在局部硬化現(xiàn)象．用MHV-2000型數(shù)顯顯微硬度計對焊接接頭進行硬度測試(載荷為9.8,N，時間保持10,s)，結果如圖11所示．從圖11可以看出，硬度曲線具有一個突躍現(xiàn)象．結合焊接接頭的金相組織(見圖12)可知：硬度突躍區(qū)為靠近熔合線附近的熔合區(qū)和過熱區(qū)．此區(qū)域晶粒粗大，造成組織硬化、脆化，使得該區(qū)域對缺陷更加敏感，只要此區(qū)域存在缺陷(如圖8和圖9所示)，裂紋源將優(yōu)先在此處產(chǎn)生．

圖11 焊接接頭維氏硬度分布Fig.11 Vickers hardness value of welded joint

圖12 焊接接頭金相圖Fig.12 Metallograph of welded joint

2.3 焊接接頭缺陷形成的“魚眼”

超長壽命區(qū)間的裂紋源周圍具有“魚眼”的特征．因此“魚眼”的微觀特征對于研究超高周疲勞裂紋源的萌生及擴展具有重要意義．在“魚眼”內(nèi)部的缺陷周圍常常存在一個區(qū)域稱視覺黑暗區(qū)(optical dark area，ODA)[10]，后來Sakai[11]等和Hong等[12]又提出了“魚眼”的模型(見圖13)．

在試驗中，筆者發(fā)現(xiàn)氣孔也可以形成所謂的“魚眼”(見圖9)，但并不存在ODA區(qū)，原因是焊接接頭中的缺陷尺寸要比母材中大好多倍，并且缺陷處于次表面，在試件承載過程中會在缺陷處產(chǎn)生較大的應力集中，因此裂紋在經(jīng)過很短的萌生時間即進入擴展階段，造成ODA區(qū)消失，使得裂紋易在接頭部位產(chǎn)生．試驗中此試件斷在焊縫也說明了這一點，如圖10(b)所示．

圖13 “魚眼”模型示意Fig.13 Schematic diagram of“fish-eye”model

3 結 論

(1) 采用二氧化碳氣體保護焊，EH36鋼的對接無余高接頭，超長壽命區(qū)間恒幅的S-N曲線以m= 14.3的斜率持續(xù)下降，到109周次以后并沒有截止的趨勢，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的疲勞極限．盡管國際焊接學會疲勞規(guī)范中將疲勞極限由5×106循環(huán)周次提高到107循環(huán)周次，但對于在超長壽命區(qū)間服役的焊接構件按照此標準進行疲勞設計仍然是很危險的．

(2) 超長壽命區(qū)間裂紋源主要處于表面機械加工微痕和次表面缺陷處．焊接接頭的斷口很不平整，母材處斷口較平齊．靠近熔合線的過熱區(qū)由于含氫量較高以及粗晶脆化，使得此處對缺陷更敏感．

(3) 由于焊接接頭中的缺陷尺寸要比母材中大得多，裂紋萌生時間很短便開始擴展，造成“魚眼”內(nèi)部的ODA區(qū)消失，使得超長壽命區(qū)間焊接接頭對微觀缺陷比母材更敏感，因此對于在此區(qū)間服役的焊接結構，應對微觀缺陷更加重視，盡可能選擇較純凈的焊接方法．

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Super-Long Life Fatigue Properties of EH36 Steel Welded Joints

Wang Ying1,2，Song Zongxian1,2，Wang Dongpo1,2，Deng Caiyan1,2，Zhao Xiaohui1,2，Liu Yajiao3
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China)

The super-long life fatigue properties of EH36 steel butt welds ground flush were studied by the self-made TJU-HJ-I type ultrasonic fatigue test device. Fatigue test results show that fracture still occurs in the welded joint after 107cycles，and that the S-N curve descends continuously. There is no such fatigue limit as described by the traditional fatigue conception. Although welding residual height does not exist and stress concentration does not exist on welded joint surface，fracture still occurs in the joint. Scanning electron microscope(SEM)analysis shows that fatigue crack mostly initiates from machining micro mark and microstructure defects in subsurface. Besides，the “fish-eye”induced by the defects in welded joint is not all the same as that in the base steel. The optical dark area(ODA)does not exist in the former “fish-eye”.

butt welds ground flush；ultrasonic fatigue test；fish-eye

TG404

A

0493-2137(2013)05-0453-05

DOI 10.11784/tdxb20130512

2011-04-11；

2011-06-09.

國家自然科學基金資助項目(50805102)；中國博士后基金資助項目(20070420696)；教育部新世紀優(yōu)秀人才基金資助項目(NCET-07-0601)．

王 穎（1981— ），女，博士，講師，wangycl@tju.edu.cn.

鄧彩艷，dengcy@tju.edu.cn.