英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

焊接耗材对高强度、调质钢焊接接头疲劳性能的影响

G. Magudeeswaran, V. Balasubramanian, and G. Madhusudhan Reddy

(Submitted September 3, 2007; in revised form March 17, 2008)

调质钢以其高强度-重量比和高硬度在军用车辆的制造中得到了广泛的应用。这些钢焊接后容易在热影响区(HAZ)产生氢致裂纹。由于氢在奥氏体相中的溶解度较高，采用奥氏体不锈钢耗材焊接上述钢是唯一的补救措施。近年来的研究表明，高镍钢和低氢铁素体钢可用于调质钢的焊接，使焊缝中的氢含量非常低。研究了焊接材料对高强度调质钢钢接头高周疲劳性能的影响。采用三种不同的焊接材料(i)奥氏体不锈钢、(ii)低氢铁素体钢和(iii)高镍钢，采用焊条电弧焊(SMAW)焊接工艺制作接头。采用低氢铁素体钢电极制作的接头具有较好的疲劳性能。

关键词：奥氏体不锈钢、疲劳属性、高镍钢、低氢铁素钢、淬火和回火钢、焊条电弧焊焊接工艺

简介

焊接工艺作为最常见的的方法去焊接材料被广泛的运用于工业之中。但由于焊接引起的非均质性，母材(BM)、焊缝金属(WM)和热影响区(HAZ)具有不同的力学行为，使得焊接接头在局部应力应变条件下变得复杂(参考 1,2)。对于结构钢，焊接接头的强度决定了整个结构的强度。焊接接头在实际应用中承受各种形式的循环载荷，疲劳破坏是常见的。因此，焊接是影响构件疲劳寿命降低的主要因素。焊接接头的评估是一个主要的工业问题，原因有二。首先，由于应力集中效应和材料性能差，焊缝往往是结构中的薄弱环节。其次，很难准确预测他们的行为。而不同于在整个焊接和热影响区(HAZ) (参考 3)，许多机械、压力容器、运输车辆、土方设备、航天器等结构部件都是由焊接接头制成的。在许多结构的制造和施工中，对接焊缝是最常见的。对接焊缝在不同结构的广泛应用,使大范围研究分析在不同类型的加载条件下的行为(参考4)。焊接件的失效分析表明,疲劳就被认为是占大多数的破坏性失效。虽然焊缝金属的疲劳性能较好，但由于焊缝过强、咬边、夹渣、未焊透等原因导致截面突变，导致焊缝疲劳开裂的几率接近70% (参考5)除了接头设计的机械因素外，焊接工艺、填充材料、热输入、焊道数等都会影响接头处焊缝的微观组织，进而影响母材中热影响区的延伸和残余应力的积累(参考 6)。这些因素将不可避免地影响疲劳强度，增加裂纹成核的倾向和裂纹的早期生长，从而导致接头的最终失效。由于疲劳失效是结构设计中的主要问题之一，对接焊缝是许多结构的一部分，因此对其疲劳寿命的评估和预测对于避免灾难性失效，特别是在军事应用中，是非常重要的。

在战斗车辆建造中使用的部件的一个重要标准是，它应该满足每个要求的弹道要求。进入服役的装甲组件不能总是受到弹道验证，因为这是一种破坏性的测试，不能频繁地对所有组件进行测试。因此，必须在弹道和力学性能之间的限度内建立相互关系。弹道测试，从技术上讲，它仅仅是材料冲击性能的典型高速试验，决定了材料在开裂前的初始吸能能力和弹体的侵彻阻力。这两个性能主要取决于韧性，即材料的强度、延展性和硬度的结合。一旦知道了已证明的验证焊缝的冲击强度、拉伸强度和硬度值，就可以预期装甲钢接头将在一定范围内满足弹道标准(参考7)。用于军事行动的战斗车辆将需要在从一级到越野的各种道路条件下行驶。车体内部的应力载荷预计会有较大的波动，特别是焊接处的结构裂纹可能成为这些车辆使用寿命中的一个问题。为了更准确地预测使用寿命，研究人员采用疲劳寿命评估来模拟实际的使用载荷条件(参考 8)。因此，对装甲级调质钢焊接件的拉伸和疲劳性能有足够的了解，对于满足军用作战车辆的服役要求是非常必要的。

调质钢以其高强度-拖比和高硬度(参考 9)被广泛应用于军用车辆的建造中。这些钢焊接后容易在热影响区(HAZ)产生氢致裂纹(参考 10)。使用奥氏体不锈钢(ASS)消耗品焊接上述钢是唯一的补救措施，因为氢在奥氏体相中的溶解度更高(参考 11)。最近的研究证明，高镍钢(HNS)和低氢铁素体钢(LHF)可用于调质钢的焊接，这可以使焊缝沉积物中的氢含量非常低(文献12-14)。在装甲级调质钢中使用ASS、HNS和LHF消耗品将导致其各自焊缝中形成不同的微观结构。这种微观结构的非均质性将对焊缝的拉伸和疲劳性能产生重大影响。

在同类装甲级调质钢焊缝疲劳试验方面，文献中还没有相关的研究。本研究具有重要意义，因为在使用ASS、HNS和LHF材料制造的这类装甲级调质钢焊接件中，疲劳研究尚未见报道。因此，研究焊接耗材对疲劳性能的影响，将为选择满足作战车辆所有结构要求的最佳焊接耗材奠定基础。因此，本研究尝试比较采用奥氏体不锈钢、低氢铁素体钢和高镍钢电极的焊条电弧焊(SMAW)工艺制备的装甲级调质钢接头的高周疲劳性能。

图1：基体金属微观结构

实验过程

本研究中使用的母材为调质钢，与AISI 4340规格一致。基体金属的微观结构特征为针状马氏体(图1)。用研磨刀具将14 mm厚的母材轧制成所需尺寸(300 mmtimes;100 mm)。采用SMAW工艺制备单V对接接头，如图2a所示。通过点焊将板固定在适当的位置，得到了初始的接头结构。焊接方向与轧制方向垂直。所有必要的注意，以避免接缝变形和接缝后，夹紧板在焊接夹具。采用奥氏体不锈钢(ASS)、低氢铁素体钢(LHF)、高镍钢(HNS)等材料制作接头。用ASS耗材制作的接头称为SA接头。同样，用LHF耗材制作的接头称为SF接头，用HNS耗材制作的接头称为SN接头。采用真空光谱仪(型号:Spectrolab)测定母材和焊缝金属的化学成分，见表1。

用于制作接头的工艺参数如表2所示。本研究中所遵循的焊接程序(工艺参数)是按照报告(参考 7,15)中所给出的用于战车建造的装甲级调质钢焊接指南进行的。作者用本研究中提到的填充金属和程序对装甲级调质钢进行了详细的焊接性试验，并已报道(文献16)。由本研究可知，所有电极(ASS、LHF、HNS)的扩散氢含量均远低于实际允许水平。如表2所示，在适当的预热温度、焊间温度、焊条烘烤温度等条件下，用上述电极制作的焊缝具有较好的抗氢致冷裂性能。采用上述焊条和焊接工艺制作的所有焊缝均未发现焊接后延迟开裂的迹象，本研究也采用了相同的焊接工艺。

焊接接头被切割并加工成所需尺寸(如图2b-d所示)，以制备疲劳和拉伸试样。根据DIN 50113标准制备了两种不同的疲劳试样，对其疲劳性能进行了评定。制备如图2b所示的沙漏型(光滑型)试件，评价疲劳极限，制作如图2c所示的缺口试件，评价疲劳缺口因子和缺口敏感性因子。对焊接接头的焊缝进行了加工，消除了焊缝轮廓的影响。采用旋转弯曲疲劳试验机(Make: Enkey, India)在不同应力水平下进行试验，所有试验均在完全反向弯曲载荷条件下进行，平均应力为零，应力比为-1。已按照图3c所示的ASTM E8M-04规范制备了拉伸试样，以根据ANSI/AWS B4.0-98焊接机械测试指南评估屈服强度、拉伸强度和接头效率。拉伸试验在100kn机电控制万能试验机(制造:印度FIEBlue Star;模型:94100)。维氏显微硬度试验机(制造:岛津;模型:HMV-T1)用于测量焊缝硬度。采用光学显微镜(Make: MEIJI, Japan;模型:ML7100)。用2% 硝酸浸蚀液试剂对试样进行腐蚀，揭示了低氢铁素体接头与母材(BM)焊缝区域的显微组织。采用王水试剂和kallings试剂分别对奥氏体不锈钢焊缝和高镍焊缝区域的显微组织进行了研究。

1. 联合配置

1. 无切口疲劳试样

1. 切口疲劳试样

1. 拉伸试样 所有尺寸均为毫米

图2： 接头结构及试件

表1：基体金属与填充金属的成分（%）

表2：焊接条件

1. 失效循环次数：N

1. 失效循环次数：N

图3 ：S-N 曲线（a）未开槽试件（b）开槽试件

3：结果

3.1 疲劳性能

每个应力水平测试3个试件，用3个试验结果的平均值绘制S-N曲线，如图3所示。高周疲劳区S-N曲线一般由Basquin方程(参考 17)描述。

SⁿN=A (Eq 1）

其中S为应力幅值，N为失效循环次数，N和A为经验常数。图3所示的每条S-N曲线均可由上述方程表示。由这些方程求出经验常数n(曲线斜率)和A(曲线截距)，如表3所示。当比较不同焊接接头在相似

全文共14528字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[2428]

您可能感兴趣的文章

• 陶瓷增殖剂的研究与开发：进展与重点外文翻译资料
• 增殖剂功能材料现状与发展外文翻译资料
• DEMO和反应堆应用的材料一边界条件和新概念外文翻译资料
• 国际热核实验堆的材料挑战–现状和未来活动外文翻译资料
• 第四章 影响纳米压痕实验数据的因素外文翻译资料
• 导电碳化硅基陶瓷的力学和摩擦学性能外文翻译资料
• 第二章 纳米压痕测试外文翻译资料
• Zn-3Al钎料超声辅助钎焊Cu/Al异种金属外文翻译资料
• 与硬质薄膜涂层一起使用的工具的基材选择外文翻译资料
• 加奥氏体不锈钢钢筋符合搞铬白口铸铁的弯曲强度和韧性外文翻译资料