2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展速率研究

王智祥，張 鑫，張繼祥

(1.重慶交通大學船舶工程中心，重慶400074;2.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶400074)

2205雙相不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如強度高、低溫韌性好、抗疲勞強度高、對應(yīng)力腐蝕裂紋不敏感等，焊接成形性能優(yōu)良，在國內(nèi)外大量應(yīng)用于船舶、鍋爐、管道等領(lǐng)域被大量運用［1-6］。尤其在化學品船舶制造中的表現(xiàn)優(yōu)良，如重慶川東造船廠采用國產(chǎn)2205雙相不銹鋼制造的化學品船，優(yōu)異的防腐蝕能力，可以承載幾百種化學品。然而，焊接接頭部位是工程結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，2205雙相不銹鋼焊接接頭性能尤其是焊縫及熱影響區(qū)疲勞性能及抗裂紋擴展性能對船體整體性能至關(guān)重要，因此展開雙相不銹鋼焊接接頭性能的研究對船體安全性尤為關(guān)鍵［7］。申艷麗［8］采用等離子弧焊，研究了 2025 雙相不銹鋼的焊接性，并對焊后固溶處理與未進行固溶處理的焊件組織特征、力學性能及抗腐蝕性進行了比較，研究了不同焊接熱輸入和固溶處理工藝對焊接接頭綜合性能的影響;金曉軍，等［9］對2205雙相不銹鋼管道接頭環(huán)焊縫殘余應(yīng)力進行有限元數(shù)值模擬，得到了內(nèi)外表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，并研究了不同的焊接線能量、管內(nèi)徑與壁厚比值和多層焊對焊接殘余應(yīng)力的影響;王智祥，等［10-11］對2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形進行了較為深入的研究，得到了焊接應(yīng)力與變形的分布規(guī)律，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM等仿真方法對焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形做出了預測。但是，在船舶的使用中，單獨的考慮應(yīng)力與應(yīng)變對焊接結(jié)構(gòu)的影響還是不夠充分的，當船體出現(xiàn)疲勞裂紋后，結(jié)構(gòu)的承載能力如何變化，這對結(jié)構(gòu)的安全性更具有實際的意義。因此，系統(tǒng)而深入地研究該2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展及其規(guī)律，對于把握其裂紋擴展速率，準確預測其焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，防止特種化學品船破壞、失效事故的突然發(fā)生，有著較大的理論意義和實用價值。筆者利用高頻疲勞試驗機對2205雙相不銹鋼的母材、焊縫、熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率進行了實驗研究，獲得不同位置的關(guān)系曲線，并對各個位置的抗疲勞裂紋擴展性能以及對應(yīng)力比的敏感程度進行比較分析。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

太原鋼鐵廠生產(chǎn)的船用2205雙相不銹鋼的主要化學成分如表1。

表1 2205雙相不銹鋼主要化學成分Tab.1 Main chemical compositions of 2205 duplex stainless steel /%

所用E 2209焊絲由川東造船廠提供，其主要成分如表2。

表2 E 2209焊絲主要成分Tab.2 Main chemical compositions of E 2209 Wire /%

1.2 實驗方法

1.2.1 板材對焊

將2205雙相不銹鋼板材加工成V型坡口(圖1)，在國營川東造船廠焊接實驗室采用NB-500 IGBT型CO2氣體保護焊機進行多層平焊。焊接參數(shù)為:層間溫度為150～250℃，焊接電流125～135 A，電壓24.5 ～25 V，焊速10 ～12 mm/s。

圖1 V型坡口試樣Fig.1 Shape and size of welded groove

1.2.2 疲勞裂紋擴展試驗

1)試樣的制取

將焊接后的板材在焊縫、熱影響區(qū)及母材上取材，加工成標準SE(B)試樣，如圖2。然后將試樣的表面磨光，并從切口頂端沿切口延伸線每隔1 mm畫刻度線，方便之后疲勞裂紋長度的測量。

圖2 試樣尺寸Fig.2 Size of sample

2)實驗設(shè)備

實驗在PLG-200高頻疲勞試驗機上進行，該型號高頻試驗機最大負荷量程為500 kN，由微機控制，主要用于測定正弦波載荷下的板材、鏈條、齒輪(彎曲)、連桿、操作關(guān)節(jié)、緊固件、螺旋運動件等拉壓、三點彎曲、四點彎曲、交互復合彎曲疲勞和齒輪疲勞。試樣采用FWDH8標準三點彎曲夾具進行裝夾。

3)實驗過程

選取了應(yīng)力比 R 為0.1，0.3，0.6 三種應(yīng)力比工況進行試驗，最大載荷選取17 kN，加載頻率控制在101.5 ～108 Hz，如表 3。

表3 疲勞實驗方案Tab.3 Fatigue test plan

在實驗過程中逐一記錄裂紋長度ai(i=1，2，3，...，n)及相應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù) Ni(i=1，2，3，...，n)，其中裂紋長度 ai(i=1，2，3，...，n)采用JC-10型20倍放大顯微鏡結(jié)合刻度線進行測量，載荷循環(huán)次數(shù)Ni由試驗機自動記錄，記錄值隨時標在坐標紙上。當裂紋擴展到24～28 mm時停止實驗。

2 試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

參考GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》［12］，擴展速率da/dN由一組對應(yīng)的裂紋長度a和循環(huán)數(shù)N值采用多點遞增法求得。應(yīng)力強度因子ΔK則按式(1)計算［12］:

2.1 2205雙相不銹鋼疲勞裂紋擴展速率回歸分析

分別在應(yīng)力比 R 為 0.1，0.3，0.6 三種工況下進行試驗并隨時記錄數(shù)據(jù)，然后對3組數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，其線性回歸結(jié)果如表4。

由表4可見，當 R=0.6時，材料常數(shù) C、n在一個量級上，說明母材，熱影響區(qū)以及焊縫的疲勞裂紋擴展速率基本是一致的，處于同一個水平上。而當R=0.1，0.3 時，材料常數(shù) C、n 出現(xiàn)明顯的差別。尤其常數(shù)C的變化，已經(jīng)跨越了幾個量級。這說明了在R=0.1，0.3時，3個位置的疲勞裂紋擴展速率有著較明顯的差別，并且隨著應(yīng)力比的減小，這種差別越明顯。

表4 三種應(yīng)力比下疲勞裂紋擴展速率回歸分析結(jié)果Tab.4 Regression analysis of fatigue crack behavior in three stress ratio

2.2 2205雙相不銹鋼母材的疲勞裂紋擴展速率

為了對2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)中母材處的疲勞裂紋擴展速率變化進行比較，分別作出在同一載荷、不同應(yīng)力比下的曲線。曲線如圖3。

圖3 母材疲勞裂紋擴展速率Fig.3 Fatigue crack behavior of BM

三種應(yīng)力比下對母材的疲勞裂紋擴展速率進行回歸分析，其回歸方程如下:

可以看出，2205雙相不銹鋼隨著應(yīng)力比的增加，疲勞裂紋擴展的速率隨之增加，這與疲勞裂紋擴展的基本理論［13-14］相一致，但增加量并不明顯，基本維持在一個相同的速率水平上，如ΔK為20和40的時候，da/dN的取值幾乎是相同的。同時，這也說明2205雙相不銹鋼母材的裂紋擴展速率對應(yīng)力比的變化并不敏感，母材的疲勞裂紋在應(yīng)力發(fā)生變化時擴展仍會維持在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會有過大的起伏。

2.3 2205雙相不銹鋼熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率

圖4 熱影響區(qū)疲勞裂紋擴展速率Fig.4 Fatigue crack behavior of HAZ

可以看出，隨著應(yīng)力比的提高，熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率同樣隨著應(yīng)力比的提高而增加，但其速率分布點已經(jīng)不處于同一個分布區(qū)域，所以其疲勞裂紋擴展速率變化更加顯著。如ΔK為18，R=0.3時的da/dN值，比R=0.1時的da/dN值略大，而當R=0.6時的da/dN值已是R=0.1時的2倍多。因此，熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率對應(yīng)力比的變化具有一定的敏感度，并且高于母材。

2.4 2205雙相不銹鋼焊縫的疲勞裂紋擴展速率

圖5 焊縫疲勞裂紋擴展速率Fig.5 Fatigue crack behavior of WM

2.5 2205雙相不銹鋼不同部位的疲勞裂紋擴展速率

在同一應(yīng)力比的前提下，2205雙相不銹鋼焊接街頭不同部位的疲勞裂紋擴展速率也是不相同的。比較R=0.1時，2205雙相不銹鋼的母材、熱影響區(qū)和焊縫的疲勞裂紋擴展速率可以發(fā)現(xiàn)，母材的速率最大，焊縫的速率最小。如ΔK取30時，母材的da/dN約為0.000 1，而熱影響區(qū)和焊縫的da/dN分別為0.000 04 和0.000 01。當 R=0.3 時，也有這樣的結(jié)果，但3個部位的差距減小。當 R=0.6時，從圖5中可以看出，雖然3個部位的曲線比較接近，并且在此應(yīng)力比下的回歸方程表明3者的疲勞裂紋擴展速率處于同一個量級水平，大小相當，但仍然既有母材的擴展速率大于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)大于焊縫的相同結(jié)果。因此相比之下，母材、熱影響區(qū)以及焊縫中，母材的抗疲勞裂紋擴展能力最弱，焊縫最強，熱影響區(qū)居于二者之間，由此說明，筆者采用工藝焊接接頭抗疲勞裂紋擴展性能良好。

3 結(jié)論

實驗采用標準SE(B)試樣，在PLG-200高頻疲勞試驗機上分別對焊接試件的母材、熱影響區(qū)以及焊縫的疲勞裂紋擴展速率進行了實驗研究，分析得到以下結(jié)論:

1)2205雙相不銹鋼焊接試件的母材、焊縫和熱影響區(qū)疲勞裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強因子ΔK之間，都符合Paris公式。

2)2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)中焊縫裂紋擴展速率最低，抗疲勞裂紋擴展能力最高;母材疲勞裂紋擴展速率最高，抗疲勞裂紋擴展能力最差;熱影響區(qū)介于二者之間，說明筆者采用工藝焊接接頭抗疲勞裂紋擴展性能良好。

3)焊縫處疲勞裂紋擴展的速率對應(yīng)力比的變化的反應(yīng)最為靈敏，其次是熱影響區(qū)，母材基本穩(wěn)定。

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