2205雙相不銹鋼焊接結構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雙相不銹鋼具有優良的綜合性能，如強度高、低溫韌性好、抗疲勞強度高、對應力腐蝕裂紋不敏感等，焊接成形性能優良，在國內外大量應用于船舶、鍋爐、管道等領域被大量運用［1-6］。尤其在化學品船舶制造中的表現優良，如重慶川東造船廠采用國產2205雙相不銹鋼制造的化學品船，優異的防腐蝕能力，可以承載幾百種化學品。然而，焊接接頭部位是工程結構的薄弱環節，2205雙相不銹鋼焊接接頭性能尤其是焊縫及熱影響區疲勞性能及抗裂紋擴展性能對船體整體性能至關重要，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焊縫殘余應力進行有限元數值模擬，得到了內外表面殘余應力的分布規律，并研究了不同的焊接線能量、管內徑與壁厚比值和多層焊對焊接殘余應力的影響;王智祥，等［10-11］對2205雙相不銹鋼焊接結構的應力與變形進行了較為深入的研究，得到了焊接應力與變形的分布規律，并通過神經網絡、SVM等仿真方法對焊接結構的應力與變形做出了預測。但是，在船舶的使用中，單獨的考慮應力與應變對焊接結構的影響還是不夠充分的，當船體出現疲勞裂紋后，結構的承載能力如何變化，這對結構的安全性更具有實際的意義。因此，系統而深入地研究該2205雙相不銹鋼焊接結構疲勞裂紋擴展及其規律，對于把握其裂紋擴展速率，準確預測其焊接結構的疲勞壽命，防止特種化學品船破壞、失效事故的突然發生，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、熱影響區的疲勞裂紋擴展速率進行了實驗研究，獲得不同位置的關系曲線，并對各個位置的抗疲勞裂紋擴展性能以及對應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、操作關節、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

選取了應力比 R 為0.1，0.3，0.6 三種應力比工況進行試驗，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)及相應的載荷循環次數 Ni(i=1，2，3，...，n)，其中裂紋長度 ai(i=1，2，3，...，n)采用JC-10型20倍放大顯微鏡結合刻度線進行測量，載荷循環次數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 試驗數據處理及結果分析

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由一組對應的裂紋長度a和循環數N值采用多點遞增法求得。應力強度因子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據，然后對3組數據進行線性回歸分析，其線性回歸結果如表4。

由表4可見，當 R=0.6時，材料常數 C、n在一個量級上，說明母材，熱影響區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 C、n 出現明顯的差別。尤其常數C的變化，已經跨越了幾個量級。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，并且隨著應力比的減小，這種差別越明顯。

表4 三種應力比下疲勞裂紋擴展速率回歸分析結果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雙相不銹鋼焊接結構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力比的變化并不敏感，母材的疲勞裂紋在應力發生變化時擴展仍會維持在一個比較穩定的狀態，不會有過大的起伏。

2.3 2205雙相不銹鋼熱影響區的疲勞裂紋擴展速率

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

可以看出，隨著應力比的提高，熱影響區的疲勞裂紋擴展速率同樣隨著應力比的提高而增加，但其速率分布點已經不處于同一個分布區域，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，熱影響區的疲勞裂紋擴展速率對應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、熱影響區和焊縫的疲勞裂紋擴展速率可以發現，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，熱影響區大于焊縫的相同結果。因此相比之下，母材、熱影響區以及焊縫中，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，分析得到以下結論:

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

2)2205雙相不銹鋼焊接結構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力比的變化的反應最為靈敏，其次是熱影響區，母材基本穩定。

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