郝雪龍 祿璐 張東暉 吳磊

(國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心，國(guó)標(biāo)(北京)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京101407)

制造業(yè)對(duì)高性能結(jié)構(gòu)材料與復(fù)雜結(jié)構(gòu)件連接性能的需求不斷提升，既需要滿足基本的力學(xué)性能需求，也必須要滿足諸如耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、導(dǎo)熱導(dǎo)電性、長(zhǎng)周期服役性能等多方面的性能和經(jīng)濟(jì)性要求。但在生產(chǎn)應(yīng)用中，單一金屬材料往往無(wú)法達(dá)到整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的性能和經(jīng)濟(jì)性需求[1-2]。因此，異種材料焊接的復(fù)合結(jié)構(gòu)日益受到人們的重視，并在交通運(yùn)輸、航空航天、石油化工、工程機(jī)械、精密制造等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

異種金屬材料焊接件是指將不同種類合金通過(guò)焊接連接所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)件，能夠最大限度地綜合利用不同材料的特性，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)件的綜合性能超過(guò)單種金屬材料結(jié)構(gòu)的性能。它既可以滿足實(shí)際工程條件下對(duì)材料提出的特殊性能要求，又可以節(jié)約貴重金屬，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化。但是，相比于焊接同種材料，異種材料的焊接較為困難。這是因?yàn)楫惙N材料本身的物理化學(xué)性能會(huì)對(duì)焊接性造成影響，并且異種材料性能上的差異會(huì)更加顯著地影響它們之間的焊接性。因此，如何保證異種焊接結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定安全地服役就成為廣大學(xué)者的重要研究方向。其中應(yīng)力與腐蝕的交互作用能加速材料的損傷過(guò)程，應(yīng)力腐蝕與腐蝕疲勞現(xiàn)象已經(jīng)成為石油化工、交通運(yùn)輸、壓力容器中異種焊接接頭常見(jiàn)的破壞失效形式。研究異種金屬焊接接頭在應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的交互作用下的斷裂失效行為具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

SUS304不銹鋼屬于Fe-Cr-Ni系合金，是在含鉻量較高的不銹鋼中添加8%～25%的鎳而形成的具有奧氏體組織的不銹鋼，因其具有良好的抗腐蝕能力和力學(xué)性能[4]，大量運(yùn)用在耐腐蝕、耐高溫、抵抗氧化的零部件和設(shè)備上。Q345B鋼作為低合金鋼，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性，焊接性好，綜合性能優(yōu)異，同時(shí)價(jià)格便宜，經(jīng)濟(jì)效益顯著，大量使用在要求強(qiáng)度高、承載大的工程結(jié)構(gòu)上[5]。對(duì)304不銹鋼與Q345B低合金鋼這兩種性能有所差異的鋼鐵材料焊接接頭開(kāi)展研究，具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義與工程應(yīng)用意義。由于異種金屬間存在較大的物理化學(xué)性能等差異，焊接過(guò)程中容易形成脆性金屬間化合物，降低接頭的服役性能。因此，通過(guò)對(duì)異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)及腐蝕疲勞等性能進(jìn)行研究，可以有效評(píng)價(jià)焊接結(jié)構(gòu)整體性能，為工藝改進(jìn)提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支撐[6]。本研究開(kāi)展了對(duì)異種金屬焊接件的腐蝕疲勞性能測(cè)試分析，為焊接結(jié)構(gòu)的腐蝕性能評(píng)價(jià)提供科學(xué)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為6 mm厚的SUS 304不銹鋼和Q345B碳鋼，異種金屬焊接件如圖1所示。

圖1 異種金屬焊接件

在焊接時(shí)，使用MAG(135)焊接方法進(jìn)行，焊材規(guī)格?1.2 mm，焊絲型號(hào)ER309L，焊接電流190～210 A，焊接電壓21～24 V，焊接速度340～400 mm/min，保護(hù)氣體98%Ar+2%O2，保護(hù)氣體流量10～15 L/min。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 焊件的腐蝕疲勞性能檢測(cè)

試樣的腐蝕疲勞試驗(yàn)參照GB/T 20120.1—2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗(yàn) 第1部分：循環(huán)失效試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，腐蝕疲勞試樣具體試樣尺寸如圖2(a)所示。腐蝕環(huán)境加載系統(tǒng)如圖2(b)和2(c)所示，由腐蝕溶液循環(huán)系統(tǒng)和恒溫環(huán)境箱構(gòu)成，通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)腐蝕介質(zhì)加熱，并恒定在穩(wěn)定的溫度。

圖2 腐蝕疲勞環(huán)境加載裝置示意圖

1.2.2 檢測(cè)設(shè)備及條件

腐蝕疲勞試驗(yàn)采用低周疲勞試驗(yàn)機(jī)(電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī))，腐蝕疲勞試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，腐蝕疲勞試驗(yàn)條件按表2進(jìn)行。疲勞試驗(yàn)后采用掃描顯微鏡對(duì)腐蝕疲勞斷裂樣的斷口形貌進(jìn)行觀察。

表1 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)參數(shù)

表2 腐蝕疲勞試驗(yàn)條件

1.2.3 檢測(cè)分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

檢測(cè)分析參照標(biāo)準(zhǔn)方法匯總，如表3所示。

表3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)匯總表

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 中值疲勞極限計(jì)算

采用升降法測(cè)定材料的腐蝕疲勞極限，試樣數(shù)量為15根，疲勞極限截止周次為1.0×106，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。第一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力水平略高于預(yù)計(jì)疲勞極限。根據(jù)上一根試驗(yàn)結(jié)果(失效或通過(guò))決定下一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力水平的降低或升高，直至完成全部試驗(yàn)，對(duì)第一次出現(xiàn)相反結(jié)果以前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如在以后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍內(nèi)則有效，升級(jí)應(yīng)力水平為4級(jí)左右，根據(jù)以下公式計(jì)算出中值疲勞極限：

表4 試樣腐蝕疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

式中，n是有效試驗(yàn)總次數(shù)；m是升降應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；σi是第i級(jí)應(yīng)力水平；Vi是第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)。

疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力幅值分別為150 MPa、160 MPa、170 MPa、180 MPa、190 MPa、200 MPa、240 MPa和260 MPa。試驗(yàn)初期，選取較大的應(yīng)力加載260 MPa，試樣在腐蝕疲勞進(jìn)行到14191周時(shí)在銷釘處斷裂，這可能是因?yàn)楦g疲勞加載過(guò)大導(dǎo)致。其余試樣腐蝕疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制了焊接件腐蝕疲勞極限趨勢(shì)圖，如圖3所示。由此可見(jiàn)，異種金屬焊接件試樣的腐蝕疲勞壽命隨最大應(yīng)力變化的波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍涵蓋了150～240 MPa，無(wú)明顯規(guī)律。

圖3 異種金屬焊接件腐蝕疲勞壽命升降圖

根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算，在疲勞壽命為1.0×106周次下的中值腐蝕疲勞強(qiáng)度為172 MPa。

2.1.2 基于S-N曲線的疲勞極限評(píng)定

采用最小二乘法擬合的異種金屬焊接件在失效概率水平(P)為50%、置信度為95%時(shí)的S-N曲線如圖4所示。擬合的S-N曲線的直線方程如下所示：

圖4 異種金屬焊接件S-N曲線圖

lgσa=-0.21lgN+3.48

根據(jù)擬合的S-N曲線的直線方程測(cè)得106循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限為166 MPa。

2.2 斷口形貌分析

2.2.1 宏觀形貌

對(duì)腐蝕疲勞斷裂試樣進(jìn)行觀察，如圖5和圖6所示。通過(guò)對(duì)比觀察腐蝕疲勞斷裂位置可知，大部分試樣的腐蝕疲勞的斷裂位置在靠近Q345B側(cè)的熱影響區(qū)，腐蝕斷口表面產(chǎn)生大量的紅銹。這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)強(qiáng)度較低，在疲勞加載的過(guò)程中容易首先產(chǎn)生疲勞裂紋，而Q345B在腐蝕溶液中電化學(xué)電位較低，容易被腐蝕，所以疲勞裂紋容易在Q345B側(cè)的熱影響區(qū)萌生并擴(kuò)展，最終產(chǎn)生疲勞斷裂失效。圖7所示為未發(fā)生斷裂試樣圖，從圖中可以看出，腐蝕疲勞試驗(yàn)試樣試樣表面布滿了紅銹，尤其是Q345B腐蝕嚴(yán)重。

圖5 異種金屬焊接件腐蝕疲勞斷裂試樣圖

圖6 異種金屬焊接件腐蝕疲勞斷裂截面情況

圖7 異種金屬焊接件腐蝕疲勞未斷裂試樣宏觀圖

通過(guò)異種金屬焊接件試樣的腐蝕疲勞壽命極限以及腐蝕疲勞數(shù)據(jù)可知，焊接件試樣腐蝕疲勞極限存在一定波動(dòng)范圍，疲勞極限數(shù)值可能受到焊接過(guò)程中人為因素影響。

2.2.2 微觀形貌

圖8為焊接件腐蝕疲勞斷裂的試樣斷口形貌圖，該試樣加載載荷為190 MPa，循環(huán)周期為757908。從宏觀圖可以清晰看出，腐蝕疲勞裂紋起始于表面腐蝕坑，在疲勞加載的作用下腐蝕疲勞裂紋逐漸向試樣中間發(fā)展，可見(jiàn)疲勞條帶，如圖8(b)所示，圖8(d)為裂紋發(fā)生斷裂時(shí)產(chǎn)生的韌窩。

(a)宏觀斷口圖 (b)腐蝕疲勞擴(kuò)展圖

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)SUS 304與Q345B異種金屬焊接件進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)測(cè)試，得到了腐蝕環(huán)境下的106周次下的腐蝕疲勞壽命極限載荷，中值疲勞極限計(jì)算結(jié)果顯示異種金屬焊接件的腐蝕疲勞極限載荷為172 MPa，還對(duì)異種金屬焊接件S-N曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算結(jié)果顯示疲勞極限為166 MPa，與中值計(jì)算結(jié)果相近，有效驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果。

(2)異種金屬焊接件試樣的焊接區(qū)腐蝕疲勞壽命較高，可以達(dá)到106周次的腐蝕疲勞極限值較高，但同時(shí)部分試樣疲勞極限值出現(xiàn)異常，推測(cè)原因可能是焊接過(guò)程中焊接工藝的不穩(wěn)定。

(3)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展源于表面腐蝕缺陷，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入到腐蝕裂紋中同時(shí)受疲勞載荷的作用加速了腐蝕疲勞的進(jìn)行，斷口的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域、條帶特征明顯，為典型的腐蝕疲勞斷裂。

(4)異種金屬焊接件腐蝕疲勞斷裂常發(fā)生在靠近焊縫的位置。