4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭紅外疲勞裂紋擴展研究

衛朝陽,閆志峰,王鐘楠,許澤清,周翠蘭

(太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

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4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭紅外疲勞裂紋擴展研究

衛朝陽,閆志峰,王鐘楠,許澤清,周翠蘭

(太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

對4003鐵素體不銹鋼MIG焊(metal inert-gas welding)焊接接頭的疲勞裂紋擴展性能進行了研究。采用紅外熱像儀對焊接接頭在疲勞循環載荷作用下的溫度變化與應力強度因子變化進行了探究,使用掃描電鏡觀察了焊縫的疲勞裂紋擴展斷裂特性。結果表明,焊縫裂紋擴展符合Paris公式,疲勞裂紋擴展過程可分為3個階段:初始無溫升階段，裂紋呈低速率擴展，斷口呈現出解理斷裂的脆性特征;其次是溫度快速上升階段,裂紋呈穩定速率擴展,斷口呈塑性特征;最后是試件失效后自然冷卻階段。研究證明,宏觀溫度能反映微觀斷裂機制的轉變,故溫度變化是深入研究裂紋擴展特征的一種有效手段。

鐵素體不銹鋼;紅外熱像法;MIG焊;疲勞裂紋擴展;斷裂機理

4003鐵素體不銹鋼以其優良的力學性能及耐腐蝕性能而廣泛應用于列車車體的制造材料[1]。目前對于4003鐵素體不銹鋼的研究主要集中在焊接及其接頭的力學性能和腐蝕性能上。張堯[2]研究了焊接修復對4003鐵素體不銹鋼接頭性能的影響,結果表明，焊接修復一次與二次對4003不銹鋼的焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊等靜載性能影響不大,但是多次焊接修復會造成其疲勞性能下降,因此應減少焊接熱輸入,采用小的線能量并嚴格控制道間溫度。張昭晗[3]應用冷金屬過渡焊、電子束焊、等離子焊、MIG焊(metal inert-gas welding)等不同的焊接方法對4003鐵素體不銹鋼焊接接頭進行力學性能和耐腐蝕性能研究,表明MIG焊的焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能均較為優越。

國內外對焊接接頭疲勞裂紋擴展性能的研究尚處于起步階段。然而機車車體焊接結構多承受交變載荷的作用,疲勞斷裂具有突發性,往往造成災難性的事故,對生命財產會造成巨大損失。因此,對4003鐵素體不銹鋼焊接接頭裂紋的擴展特征進行研究,可以減少災難性事故的發生。

就裂紋擴展研究方法而言,描述裂紋擴展應用最為廣泛的是Paris公式[4]。

(1)

式中：da/dN表示裂紋擴展速率，mm(a為裂紋長度，mm；N為疲勞循環次數);ΔK表示應力強度因子范圍;C,m為材料相關的常數。由于材料的ΔK計算復雜,且不能實時反映材料的裂紋擴展狀態,因此近年來,以溫度變化來直觀、實時地反映材料裂紋擴展狀態的紅外熱像法研究材料的疲勞裂紋擴展性能成為熱點[5-7]。本課題組前期利用紅外熱像法對4003鐵素體不銹鋼母材的疲勞裂紋擴展速率進行了研究[8],對其焊接接頭進行疲勞裂紋擴展速率研究,該研究為4003鐵素體不銹鋼日后更加廣泛的應用提供科研依據。

本文主要對4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭在高頻載荷下疲勞裂紋擴展時的溫度演化進行研究,建立溫度變化與應力強度因子之間的關系,同時對其斷裂機理進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用厚度為5 mm的4003鐵素體不銹鋼的板材作為試驗材料,其化學成分如表1所示,其力學性能如表2所示。

1.2 焊接方法及接頭組織

選取的焊接方法為MIG焊。焊接試驗在AX-MV6自動焊接機器人上進行,焊機型號為OTC/DM500,焊接參數如表3所示。

表1 4003鐵素體不銹鋼化學成分組成(質量分數)

表2 4003鐵素體不銹鋼力學性能

表3 MIG焊接工藝參數

焊接接頭的金相組織如圖1所示。由圖可以看出,母材(圖1-a)組織為鐵素體組織,焊縫(圖1-b)為單一的奧氏體組織,HAZ(Heat affected zone,圖1-c)的組織區域則較為復雜,有粗大的鐵素體組織,同時出現了馬氏體組織。

圖1 4003鐵素體不銹鋼MIG焊接接頭微觀組織Fig.1 Microstructures of MIG welded joint for 4003 ferritic stainless steel

圖2 4003鐵素體不銹鋼的焊接接頭硬度試驗結果Fig.2 Hardness test results of 4003 ferritic stainless steel MIG welded joint

利用HVS-1000A型顯微硬度儀對焊接接頭的硬度進行了測量,其結果如圖2所示。

由圖2可知,焊接接頭硬度最大區域為HAZ,比母材和焊縫區的硬度要高，主要是因為HAZ區域在經歷焊接熱循環后產生馬氏體相變,導致其硬度較高。焊縫和母材二者硬度相差不大。

1.3 試件加工及疲勞試驗方法

為了進行裂紋擴展速率試驗,將對接焊完后的板材在DK7735型線切割機上加工成標準的CT試件,其中缺口所對應的中線為焊縫中心。其尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 裂紋擴展CT試樣尺寸示意圖Fig.3 CT specimen dimensions for crack propagation

疲勞裂紋擴展試驗在PLG-200D型高頻疲勞拉壓試驗機上進行,循環特征系數R=0.1;疲勞頻率為100 Hz。采用VarioCAM hr research紅外熱像儀進行溫度測量,其像素參數為1 280×960;溫度測量靈敏度在30 ℃時為0.08 ℃;空間分辨率是1.2 mrad;溫度錄制頻率為25 Hz。整個裂紋擴展試驗在室溫空氣中進行,試驗時將紅外熱像儀放置于試樣前的500 mm處。

在正式開始疲勞裂紋擴展試驗之前,先進行疲勞裂紋預置,預置長度為2 mm，之后進行加載。共進行4組試驗,其最大載荷依次為:7.9,9.1,9.7,12.1 kN。在裂紋擴展過程當中,每擴展1 mm,記錄相應的裂紋長度a和疲勞循環次數N。

2 試驗結果與討論

2.1 裂紋擴展試驗結果

4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭的裂紋擴展速率試驗結果如圖4所示。將所獲得的數據按照遞增多項式法處理,可獲得焊縫的(da/dN)-ΔK曲線,其中,da/dN表示裂紋擴展速率,ΔK表示應力強度因子范圍。

a-a-N;b-(da/dN)-ΔK圖4 焊縫a-N和(da/dN)-ΔK關系曲線Fig.4 Curves of welded joint

ΔK是試驗材料的形狀、所承受載荷、裂紋長度等參數的綜合反映,其良好的線性關系表明，使用ΔK來描述4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的疲勞裂紋擴展性能是可行的。由圖4-b可知,(da/dN)-ΔK二者有著良好的線性關系,即符合Paris公式。

2.2 裂紋擴展紅外溫度試驗結果及分析

圖5為利用紅外熱像儀測得的裂紋擴展過程中試件表面的溫度變化曲線。由圖5可以看出焊縫裂紋擴展速率的溫度演化可以分為3個階段:初始無溫升階段、溫度快速上升階段、試件失效后自然冷卻階段。7.9 kN載荷下各個階段的宏觀紅外熱像圖如圖6所示。

圖5 裂紋擴展過程中的溫度演化曲線Fig.5 Temperature evolution curves during crack propagation

a-initial stage;b-rapid temperature increase stage;c-the highest temperature point;d-cooling stage after failure圖6 宏觀紅外熱像圖Fig.6 Infrared thermograph

圖6顯示,一開始宏觀熱像圖無法觀察到裂紋尖端,整個試件溫度一致(圖6-a);之后,進入裂紋快速擴展階段,可以清晰地觀察到裂紋尖端光斑區域(圖6-b)；隨著裂紋的擴展,熱源也跟著往前移動(圖6-c)。根據對熱像圖的觀測研究中可將移動熱源簡化為圖7所示的模型,即:裂紋擴展過程中,僅在裂紋尖端的循環塑性區產熱并造成試樣溫度升高。如圖7所示,假設在循環塑性區中心存在一條沿著材料厚度方向的線熱源,裂紋擴展速度為v,線熱源在裂紋擴展時間t內向前移動vt,即這條移動線熱源造成了試驗過程中材料表面的溫度變化。

圖7 裂紋擴展移動熱源模型示意圖Fig.7 Schematic of moving heat source model for crack propagation

該線熱源的產熱量則由循環塑性區大小所決定,其產熱量大小可表示如下[9]:

(2)

式中：q表示裂紋擴展單位長度時的能量耗散;f為加載頻率;ξ為單次循環下裂紋擴展單位長度時的能量耗散;η為材料相關的常數;rc為裂紋尖端塑性區半徑,在平面應力和平面應變條件下分別如下所示:

(3)

式中：ΔK為應力強度因子范圍;σy表示材料的循環屈服應力。最終可獲得其溫差Δt[10-11]:

(4)

式中：k表示材料的熱傳導系數;λ表示材料的熱導率;v表示裂紋擴展速率;x表示線熱源移動的距離;r表示距離線熱源的距離;K0為貝塞爾函數。當加載條件和材料確定的時候,可以看出,溫度變化Δt為應力強度因子范圍ΔK的函數。

本試驗采用的板材較薄,厚度為5mm,因而所處狀態為平面應力狀態。初始時,裂紋尖端塑性區較小,轉化的熱量較小,造成溫度沒有明顯變化。觀察圖5可知,除了載荷較大的12.1kN下的溫度一開始就有增長之外,其他均有溫度平穩的初始階段。從第2階段開始,溫度快速上升并至較高溫度,此時ΔK較大,根據公式(3)可知裂紋尖端塑性區較大,釋放出較多能量,進而由公式(4)可得最終溫度上升較多。最后,試驗停止之后,溫度自然下降到室溫水平。由公式(4)可知,當加載條件確定時,溫度變化Δt是應力強度因子范圍變化ΔK的函數,即更加宏觀的Δt可以用來描述抽象的ΔK的變化。二者變化關系如圖8所示。

圖8 焊縫裂紋擴展過程中的Δt-ΔK曲線Fig.8 Δt-ΔK curves during crack propagation

由圖8所示,ΔK存在一個對應著溫度開始上升的門檻值,將其定義為ΔKth,temp。各個試件的ΔKth,temp值相差不大,均為40 MPa·m1/2左右。之后,隨著ΔK的增大,各個不同試件在ΔK值相同時其溫度上升也十分接近。試驗結果也驗證了熱源模型中的公式(4),即溫度變化Δt是ΔK的函數，不論載荷大小,只要其在擴展過程中ΔK值一致,其溫升值也接近相同。因此,Δt可以用來代替ΔK來描述裂紋擴展速率da/dN。而當ΔK小于ΔKth,temp,由公式(2)可知,由于此時裂紋尖端塑性區域較小,產熱量十分小,進而沒有明顯的溫度上升,此時的Δt并不能反映ΔK的變化。

2.3 斷口分析

圖9為裂紋擴展過程中不同階段的斷口照片,由圖9可知,在裂紋擴展的初期,即ΔK較小的階段,斷口形貌呈現出解理斷裂(圖9-a)),結合溫度演化曲線可以看出,此時幾乎沒有溫度變化。在裂紋擴展的中后期,即ΔK較大的階段,斷口中可以觀察到明顯的疲勞條紋,表明塑性特征增強,同時斷口可觀察到二次裂紋,預示此時變形程度增大,結合溫度變化可知,此時溫度上升較為明顯。

從微觀角度來看,斷裂機理是從脆性的解理斷裂方式逐步變為塑性特征較為明顯的斷裂方式。斷裂機理的變化可以證實疲勞裂紋擴展過程中溫度的變化情況。

3 結論

1) 4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭的裂紋擴展速率符合Paris公式。

a-ΔK=30 MPa·m1/2;b-ΔK=70 MPa·m1/2圖9 裂紋擴展不同階段斷口形貌Fig.9 Fractograph of fracture surface at different stages

2) 裂紋擴展過程中,試件表面溫度變化經歷以下3個階段:初始無溫升階段、溫度快速上升階段、自然冷卻階段。

3) 建立了ΔK與Δt的關系,當ΔK的值大于ΔKth,temp,可以通過溫度變化代替ΔK來描述裂紋擴展速率。

4) 斷口形貌發現在低速率擴展階段呈現出解理斷裂特征,此時相對應的紅外試驗無明顯溫度變化;高裂紋擴展速率階段呈現出疲勞條紋塑性特征,溫度上升較快。

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(編輯：李文娟)

Research on Infrared Fatigue Crack Propagation Behavior of 4003 Ferritic Stainless Steel MIG Welded Joints

WEI Chaoyang,YAN Zhifeng,WANG Zhongnan,XU Zeqing,ZHOU Cuilan

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The purpose of this paper is to study the fatigue crack propagation behavior of 4003 ferritic stainless steel MIG welded joints. The temperature evolution during the process of fatigue crack propagation was studied by using an infrared camera, fatigue crack propagation fracture surface was studied by using a Scanning Electron Microscope. The test results show that Paris-law can be used to describe crack propagation, and 3 stages of crack propagation can be observed: initial temperature equilibrium stage, the crack propagation is relatively small and the fracture surface shows cleavage fracture; abrupt temperature increase stage, the crack propagation is located in stable stage and the fracture surface indicates ductile fracture; and natural cooling stage. The temperature variation can reflect the variation of fatigue fracture mechanisms, so the temperature variation is an effective index to study the crack propagation characteristics.

ferritic stainless steel;infrared thermography;MIG welding;fatigue crack propagation;fatigue fracture mechanisms

1007-9432(2016)03-0289-05

2016-02-24

國家自然科學基金資助項目:基于紅外溫度場特征的鎂合金焊接接頭疲勞斷裂行為與評定理論研究(51175364);山西省自然科學基金資助項目:鎂合金焊接接頭紅外疲勞斷裂機理和疲勞極限方法研究(2013011014-3)

衛朝陽(1989-),男,山西運城人,碩士生,主要從事基于紅外熱像法的金屬疲勞性能研究,(E-mail) chaoyang2018@163.com

周翠蘭,高級工程師,主要從事金屬的疲勞性能研究，(E-mail)hongxzhang@163.com

TG405

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.003