ASTMA572 Gr65鋼焊接接頭疲勞斷裂表征與評定

楊澤源，閆志峰，王樹邦，韓明珠，張紅霞

太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024

0 前言

ASTM A572 Gr65鋼是一種低合金高強度結構鋼，具有低碳低硅、耐候、高強度、高韌性的特點，以焊接結構件的形式廣泛應用于輸電線路電塔、信號塔、汽車以及建筑等行業。在實際服役環境中，焊接結構件經常要承受動態載荷的作用，焊接結構件經過焊接熱循環過程后，其微觀組織、力學性能與母材存在較大差異，因此在焊接接頭部位容易發生疲勞失效[1]。與其他破壞形式不同，疲勞斷裂因為沒有明顯的預兆，因而更容易引起災難性的事故。因此如何快速準確地評估焊接結構件的疲勞強度，對于工程實際具有重要意義。

高強鋼焊接接頭的疲勞性能研究一直備受關注。馮祥利等人[2]研究了Q460焊接接頭的組織和斷裂行為，發現隨著焊接接頭熱輸入的增加，焊縫區柱狀晶形態特征減弱，針狀鐵素體平均尺寸增大，在斷裂過程中，細小的針狀鐵素體可以阻礙裂紋擴展。賈朋剛等人[3]利用升降法對B780CF高強鋼板焊接接頭疲勞性能進行了評定，發現焊接接頭裂紋既可以起源于表面，也可以萌生于試樣內部。邱晨等人[4]進行了Q460D焊接接頭超低周疲勞性能研究，發現在循環載荷下，逐步形成的塑性條帶和熱影響區最容易導致材料疲勞斷裂。魏世同等人[5]對Q345E鋼板焊接接頭的疲勞性能進行了研究，發現焊縫區最容易成為疲勞裂紋萌生的位置，焊接缺陷將更加惡化接頭的疲勞性能。

目前，材料疲勞強度的評估方法主要有單點法、成組法和升降法等，這些方法對樣品的需求量大，試驗周期長、成本高。在疲勞演化過程中，機械功主要以熱的形式耗散，基于此現象，紅外熱像法可用于檢測疲勞損傷[6]。材料在循環載荷下，表面溫度會發生規律性變化，故可以借助此變化來預測材料的疲勞極限[7-8]，相比于傳統測試方法，紅外熱像法成本低、耗時少[9-10]。因此，本文利用紅外熱像法對ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭在疲勞斷裂過程中試件表面的溫度特征進行監測，并利用溫度信息對其疲勞性能進行評定。

1 試驗材料及方法

采用MAG焊對14 mm厚的ASTM A572 Gr65熱軋鋼板進行焊接，其化學成分和室溫力學性能如表1、表2所示。選用直徑為1.6 mm的ER55-G焊絲，其化學成分如表3所示。焊接接頭采用對接形式，X形坡口，坡口形狀和尺寸如圖1所示。

表1 ASTMA572 Gr65鋼的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of ASTMA572 Gr65 steel（wt.%）

表2 ASTMA572 Gr65鋼力學性能Table 2 Mechanical properties of ASTMA572 Gr65 steel

表3 ER55-G焊絲化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical compositions of ER55-G welding wire（wt.%）

圖1 ASTMA572 Gr65鋼焊接坡口（單位：mm）Fig.1 ASTMA572 Gr65 steel welding groove（Unit：mm）

一般情況下，材料的碳當量越小，其焊接性越好，冷裂傾向越小。根據國際焊接學會推薦的碳當量計算公式 Ceq（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，ASTM A572 Gr65熱軋鋼的碳當量為0.31%，滿足碳當量低于0.4%的焊接性良好標準。焊接工藝參數如表4所示，焊后對試板進行超聲檢測，檢測結果為I級焊縫。

利用4%硝酸酒精溶液對焊接接頭進行浸蝕，利用光學顯微鏡（CMM-20E）對試樣進行金相組織觀察；焊接接頭硬度由維氏硬度儀（HVS-1000A）測量，施加載荷為500 g，停留時間10 s。

表4 焊接工藝參數Table 4 Welding parameters

按照GB/T3075-2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》要求，利用PLG200-D高頻拉壓疲勞試驗機對ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭進行高周疲勞試驗。應力比R=0.1，以107次循環下的應力作為條件疲勞極限，以20 MPa為間隔，循環應力峰值范圍為140 ～340 MPa。試樣尺寸如圖2所示。利用紅外熱像儀記錄試樣溫升數據，為保證紅外熱像儀采集溫度的準確性，試樣噴涂黑色啞光漆。采用IRBIS3軟件處理紅外熱成像數據，得到溫度曲線。利用掃描電子顯微鏡（TESCAN MIRA3）對疲勞試樣斷口的微觀形貌進行表征。

圖2 疲勞試樣形狀及尺寸（單位：mm）Fig.2 Fatigue specimen shape and size（Unit：mm）

2 結果及討論

2.1 焊接接頭微觀組織及硬度分布

ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭宏觀照片如圖3c所示，可以看到焊縫區，熔合線和熱影響區。母材組織為鐵素體和珠光體、其中鐵素體為等軸狀，珠光體分布于鐵素體中。焊縫區組織主要為針狀鐵素體，如圖3a、3e所示，以柱狀晶的形式垂直于焊縫邊緣向焊縫中心生長。針狀鐵素體在原奧氏體內形核生長，由于其較大的長寬比，在生長過程中彼此限制，因此在針狀鐵素體內部有很高的位錯密度，有效提高了焊縫的強度[2]。在圖3b中可以看到焊縫區和熱影響區之間的熔合線。熱影響區分為粗晶區（見圖3f）和細晶區（見圖3g），主要是針狀鐵素體和珠光體。

圖3 焊接接頭金相組織Fig.3 Metallographic structure of welded joint

焊接接頭截面硬度分布如圖4所示，母材的顯微硬度為190 ～192 HV0.5。與母材相比，焊縫區由于存在大量針狀鐵素體，硬度值相對較大，為197 ～203 HV0.5。熱影響區組織以針狀鐵素體和珠光體為主，晶粒尺寸細化，這是影響該位置硬度變化的主要因素。總體而言，熱影響區淬硬傾向較小，無明顯的脆化現象。

圖4 焊接接頭硬度分布Fig.4 Hardness distribution of welded joints.

2.2 靜態載荷條件下焊接接頭溫度演化

ASTM A572 Gr65鋼及焊接接頭的靜態拉伸應力-應變曲線如圖5所示?？梢悦黠@看出焊后接頭的拉伸性能明顯降低，屈服強度由母材的470 MPa降至350 MPa，抗拉強度由520 MPa降至450 MPa，而且斷后伸長率由37%降至18%。

圖5 母材和焊接接頭在靜態載荷下的應力-應變曲線及溫升演化Fig.5 Stress-strain curve and temperature evolution of base metal and welded joint under static load

靜態拉伸過程包括彈性階段與非彈性階段，兩個階段產熱機理不同，所呈現出來的溫度變化規律也不同[11]。圖5a中，ASTM A572 Gr65鋼在單軸拉伸載荷下，樣品表面溫度的變化曲線主要分為四個階段。在初始溫度下降階段，試樣只發生了彈性變形，試件由于熱彈性效應表面溫度下降。之后試件產生塑性變形，塑性變形產熱使試件表面溫度緩慢升高，在此階段后，試樣發生頸縮，產生宏觀裂紋。在裂紋擴大過程中，從裂紋尖端釋放大量熱量，使得試件的表面溫度迅速上升，當溫度達到峰值，試樣發生斷裂，試件的表面溫度迅速下降并冷卻到室溫。圖5b中，在拉伸過程前10 s內，溫度開始第一次下降和上升，外加應力達到了焊接接頭薄弱區的彈性極限，溫度不再下降，開始上升，此時薄弱區進入塑性階段，試樣產熱增多；10 ～20 s時，溫度開始第二次下降和上升，此時的外加應力達到了焊接接頭的彈性極限，焊接接頭整體進入塑性區，但是由于薄弱區的存在，塑性階段產熱明顯高于散熱。

圖6為焊接接頭拉伸過程中紅外熱像圖，可以明顯看到，試樣頸縮，橫截面積減少，產熱集中，之后持續快速升溫一直到試樣斷裂。焊接過程中材料內部的微觀組織變得不均勻，導致各個部位力學性能不均勻。組織的差異造成了材料在變形過程中出現了不協調、不穩定的現象，使得二者溫度變化規律不同。通過拉伸過程中試樣的溫度演化，可以得出在靜態條件下，材料在屈服前后的溫度變化規律明顯不同，靜載過程中溫度由下降至升高轉折點處的應力值反映了材料的屈服過程，拐點位置對應的應力值可以作為疲勞試驗過程中循環應力峰值的最大值，這為動態載荷下確定焊接接頭使用的循環載荷范圍提供了依據。

圖6 焊接接頭試樣拉伸過程中紅外熱像圖Fig.6 Infrared thermal image of welded joint sample during stretching

2.3 循環載荷條件下焊接接頭溫度演化

材料在循環載荷作用下會發生彈性和塑性變形，并且伴隨著能量的耗散，因此疲勞過程也可以看成是材料發生彈性和塑性變形后的能量耗散過程，其中表現形式包括試樣表面溫度的變化和循環應力-應變變化曲線。

疲勞過程中試樣表面溫度變化曲線如圖7所示，當循環應力較低時（σmax<240 MPa），試樣經歷107次循環后沒有發生斷裂，溫升曲線可以分為兩個階段——初始溫度上升階段和穩定階段。疲勞開始后，試樣在循環應力的作用下迅速升溫，但是由于循環應力較小，熱耗散也相對較弱，因此溫度變化也較小，當試樣內部產熱和熱耗散動態平衡后，溫度不再上升并且保持恒定。當循環應力較大時（σmax>240 MPa），試樣未達到107次循環就發生了疲勞斷裂，溫升曲線可以分為三個階段：初始溫升階段、溫升恒定階段和試樣斷裂時的突增階段。前兩個階段與其循環應力情況相同，但是由于循環應力較大，試樣穩定時的溫升值更高，并且這兩個階段占據了試樣壽命的大部分時間。在穩定循環過程中，疲勞裂紋逐漸萌生并開始擴展，試樣的有效截面積逐漸減少。當試樣將要發生斷裂時，會發生較大的不可逆塑性變形，產熱大大增加，遠遠高于試樣耗散的熱量，試樣表面溫度急劇上升，出現陡峰，此時試樣發生斷裂。

圖7 不同循環應力下試樣表面的溫升演化Fig.7 The temperature evolution of the sample surface under different cyclic stresses

材料在疲勞過程中溫升變化對應循環過程中的變形行為，如圖7b所示，循環應力峰值為340 MPa時循環應力-應變曲線的演化過程可以分為三個階段：在外加載荷的作用下，循環變形從無到有，試樣發生明顯塑性變形，循環應力-應變曲線右移；隨著循環周次的增加，因材料發生加工硬化，此時只產生很小的塑性變形，循環應力-應變曲線右移量減少；當試樣發生斷裂，變形量快速增大。這與疲勞過程中的紅外溫度演化基本吻合，也說明了疲勞過程中紅外溫度的準確性。

圖8為焊接接頭試樣在疲勞過程中的紅外熱像圖，可以直觀看出試樣在循環載荷作用下的溫度演化，同時也反映了疲勞過程中的能量耗散。當試樣將要發生疲勞斷裂時，表面溫度快速上升，局部表面出現白斑的地方溫度上升最為明顯，隨后迅速擴展至整個試樣截面，試樣發生疲勞斷裂，之后恢復至室溫。

圖8 焊接接頭試樣疲勞過程中紅外熱像圖Fig.8 Infrared thermal image of welded joints during fatigue

2.4 疲勞極限評定

以107循環次數下的較大循環應力峰值定義條件疲勞強度，對所得應力-循環次數數據點進行線性擬合，得到ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭試樣的S-N曲線（見圖9a）。擬合得到S-N曲線表達式為

圖9 ASTMA572 Gr65鋼焊接接頭疲勞極限評定Fig.9 Fatigue limit assessment ofASTMA572 Gr65 steel welded joints

根據式（1）可以得到，ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭試樣的疲勞極限約為246.6 MPa。

試樣在低循環應力和高循環應力下，穩定時的溫升值差別很大。隨著循環應力的增加，穩定時的溫升值也隨之增大，當循環應力超過疲勞極限時，溫升穩定值會發生突變，根據此現象，對疲勞極限以下數據點和疲勞極限以上數據點分別進行線性擬合（見圖9b），函數表達式分別為

兩條擬合線的交點為疲勞極限，得到ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭的疲勞極限為234.18 MPa，與S-N曲線擬合得到的結果僅相差5.04%。

2.5 疲勞斷口分析

焊接接頭試樣在循環應力峰值為300 MPa時的疲勞斷口掃描圖片如圖10所示，通過掃描電鏡研究了材料在疲勞過程中的斷裂機理。可以清晰地看出疲勞斷口主要分為三部分：裂紋源區、裂紋擴展區和瞬時斷裂區。裂紋源區（見圖10b）位于試樣內部，呈“魚眼”狀，疲勞裂紋起源于焊縫夾雜與基體界面處，逐步擴展導致疲勞斷裂。圖10c中可以看到裂紋源內存在大量裂紋，之后向四周擴散，具有準解理斷裂特征。圖10d中明顯看到大量疲勞輝紋，這是由裂紋尖端的鈍化和再銳化所導致的[12]。圖10e為裂紋擴展區，呈現貝殼狀花樣，隨著裂紋的不斷發展，二次裂紋也不斷擴大。此外，裂紋擴展區的解理面也是不規則分布的，在擴展過程中主要以穿晶斷裂的形式存在。裂紋尖端在剪切應力作用下發生塑性變形，裂紋沿擴展方向移動。在瞬時斷裂區（見圖10f），發生明顯的塑性變形。

圖10 循環應力峰值300 MPa下疲勞試樣斷口掃描電鏡照片Fig.10 Scanning electron micrograph of the fatigue specimen fracture under the peak cyclic stress of 300 MPa

試樣均斷裂于中部焊縫位置，這主要是因為焊縫與母材在力學性能和成分上存在很大差異，焊接接頭的拉伸性能低于母材，其疲勞強度也大幅降低。由于焊接接頭成分不均勻，非常容易在焊縫區裂紋形核，從而導致應力集中，發生疲勞斷裂。

3 結論

（1）通過對ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭拉伸試驗發現，焊接試樣的拉伸性能遠低于母材，其屈服強度為350 MPa，抗拉強度為400 MPa。在焊接接頭靜載應力-應變溫度演化過程中，由于薄弱區的存在會導致試樣經歷兩次熱彈性階段。

（2）ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭疲勞過程中的溫升演化與循環變形行為對應，對于發生斷裂的試樣，都會經歷三個階段，即初始快速升溫階段，穩定溫升階段和斷裂時的溫度驟升階段。

（3）通過對焊接試樣進行高周疲勞試驗，測定焊接接頭的S-N曲線，得到疲勞極限為246.6 MPa。根據疲勞過程中試驗表面的溫升值進行疲勞極限評定，得到疲勞極限為234.18 MPa，與S-N曲線得到的疲勞極限相差5.04%。

（4）ASTM A572 Gr65鋼焊接接頭疲勞失效發生在焊縫區，這是由于焊縫與母材力學性能和成分組織的差異較大。從疲勞斷口可以看出，裂紋源位于試樣內部。