B780CF高強(qiáng)鋼板焊接接頭的疲勞性能分析

(1.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040; 2.水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040)

B780CF高強(qiáng)鋼板焊接接頭的疲勞性能分析

賈朋剛1,2程廣福1,2高秀玲1,2李長虹1,2

(1.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040; 2.水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040)

采用升降法在拉壓載荷的作用下，對B780CF高強(qiáng)鋼板原始態(tài)(調(diào)質(zhì)態(tài))、退火態(tài)(調(diào)質(zhì)后退火)以及焊接接頭退火態(tài)(調(diào)質(zhì)板焊接后退火)的疲勞性能進(jìn)行測試，得出應(yīng)力比為-1條件下的B780CF原始態(tài)、退火態(tài)以及焊接接頭退火態(tài)的疲勞極限分別為400 MPa，415 MPa和360 MPa。經(jīng)歷焊接熱循環(huán)和消應(yīng)力退火之后，B780CF焊接接頭的沖擊韌性急劇下降，熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒粗化，細(xì)晶區(qū)與母材之間的過渡區(qū)軟化，并沿晶界析出托氏體；經(jīng)掃描電鏡的觀察顯示，高強(qiáng)鋼板及其焊接接頭的疲勞裂紋可萌生于疲勞試樣的表面，也可萌生于疲勞試樣內(nèi)部的夾雜物和組織異常區(qū)域。

高強(qiáng)鋼板疲勞極限疲勞源區(qū)形貌

0 序 言

隨著中國水電行業(yè)的發(fā)展，水電機(jī)組對鋼板的強(qiáng)度指標(biāo)追求越來越高，高強(qiáng)鋼板焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對于機(jī)組安全運(yùn)行的意義也越來越凸顯,高強(qiáng)鋼板及焊接接頭的疲勞性能參數(shù)對高速旋轉(zhuǎn)部件以及承受壓力脈動的大型管類件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算顯得越來越重要[1-2]。B780CF是新開發(fā)的低碳貝氏體鋼，用于水電機(jī)組的金屬結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、韌性好的特點[3]。部分B780CF水工金屬結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中采用退火工藝降低和消除焊后殘余應(yīng)力，保證焊接結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形，但是退火易造成韌性下降，并對疲勞性能造成影響。目前國內(nèi)外對B780CF高強(qiáng)鋼的疲勞性能進(jìn)行了深入研究，但是對退火態(tài)焊接接頭的疲勞性能研究較少，并且焊接熱循環(huán)和退火過程對B780CF焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響的研究還不清楚[4-5]。因此，分析退火態(tài)焊接接頭的疲勞性能對B780CF水力水電工程中金屬焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計和強(qiáng)度計算有重要意義。

為了對熱處理后的高強(qiáng)鋼板及其焊接接頭的疲勞性能有進(jìn)一步了解，文中以B780CF調(diào)質(zhì)鋼板為研究對象，選取鋼板原始態(tài)、消應(yīng)力退火態(tài)和焊后消應(yīng)力退火態(tài)的焊接接頭，分析研究疲勞性能，確定焊接和熱處理對高強(qiáng)鋼板疲勞性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 焊接試驗與疲勞試樣制備

試驗材料為寶鋼開發(fā)生產(chǎn)的B780CF調(diào)質(zhì)鋼板，GMAW選用ER90S-G焊材，焊絲直徑φ1.2 mm，電弧電壓25 V，焊接電流230 A，焊接速度250 mm/min，氣體流量20 L/min，保證焊接接頭實際強(qiáng)度接近母材強(qiáng)度，焊接接頭100%射線探傷合格。B780CF高強(qiáng)鋼板的化學(xué)成分見表1。

表1 B780CF調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗統(tǒng)一在同一張鋼板下料并加工成不對稱X形焊接坡口。對鋼板及焊接接頭分別進(jìn)行消應(yīng)力退火，退火溫度為530 ℃，分別按照所需要的狀態(tài)進(jìn)行試板的制備，即：原始態(tài)、退火態(tài)以及焊接接頭退火態(tài)。疲勞試樣軸線垂直于鋼板的軋制方向，焊縫位于試樣平行段的中間，如圖1所示。每個疲勞試樣經(jīng)過400號、800號、1 200號和2 000號砂紙沿軸向打磨。

圖1 鋼板焊接接頭下料示意圖

1.2 疲勞試驗與斷口分析

試驗在室溫空氣環(huán)境下進(jìn)行，采用HYG系列微機(jī)控制高頻疲勞試驗機(jī)，選應(yīng)力比R為-1，以拉壓方式加載。疲勞試驗在控制軸向力的條件下測試試樣的破壞循環(huán)次數(shù)，以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，試樣的破壞循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，可以得到試樣的S-N曲線(疲勞應(yīng)力-壽命曲線)[6]。疲勞極限采用升降試驗法計算[7]。

采用Hitachi High-Tech Science Systems Corporation公司的S-3700N掃描電子顯微鏡對疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察與分析，以確定鋼板及其焊接接頭的失效特征。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

表2是B780CF鋼板及其焊接接頭的力學(xué)性能數(shù)值，其中沖擊試驗溫度為-20 ℃(焊接接頭試驗中，沖擊試樣缺口位于焊縫中心位置)，其余力學(xué)性能試驗溫度為室溫。由表2可知，焊接過程和消應(yīng)力退火過程對B780CF的強(qiáng)度和塑性影響不明顯，但對沖擊韌性影響很大，使沖擊吸收能量急劇下降。

表2 B780CF試驗材料的力學(xué)性能

圖2是B780CF截面的組織形貌。圖2a是原始態(tài)組織，圖2b是焊接接頭退火態(tài)組織，從左至右依次為焊縫區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、過渡區(qū)和母材區(qū)。由圖2可知，經(jīng)過焊接熱循環(huán)和消應(yīng)力退火后，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒粗大，而過渡區(qū)則沿晶界析出托氏體。

圖3為焊接接頭退火態(tài)的硬度分布?？梢钥吹?，粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和過渡區(qū)都存在一個軟化區(qū)，過渡區(qū)的硬度降低最多，明顯小于母材和焊縫。

圖2 B780CF組織形貌

圖3 接頭硬度分布

2.2 疲勞性能

圖4是B780CF鋼板原始態(tài)、退火態(tài)和焊接接頭退火態(tài)的S-N曲線。圖中1×107的數(shù)據(jù)點表示疲勞試樣經(jīng)過1×107次循環(huán)載荷沒有發(fā)生破壞，其余數(shù)據(jù)點則表示試樣經(jīng)受相應(yīng)次數(shù)循環(huán)載荷后發(fā)生破壞。圖中箭頭上方的阿拉伯?dāng)?shù)字表示試樣個數(shù)，未標(biāo)箭頭的數(shù)據(jù)點表示單個試樣。由圖4可知，退火態(tài)疲勞試驗升降結(jié)果的應(yīng)力分散度為3級，小于原始態(tài)和焊接接頭退火態(tài)疲勞的應(yīng)力分散度，同時焊接接頭的疲勞壽命相比原始態(tài)的疲勞壽命明顯降低。這是因為焊接接頭中的夾雜物或缺陷容易產(chǎn)生疲勞裂紋形核，而裂紋源易引起材料的疲勞破壞，從而使材料的疲勞壽命降低。

通過升降法計算得到B780CF原始態(tài)的疲勞極限為400 MPa，退火態(tài)的疲勞極限為415 MPa，焊接接頭退火態(tài)的疲勞極限360 MPa，見表3。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，退火態(tài)的B780CF疲勞極限最高，原始態(tài)的疲勞極限次之，焊接接頭退火態(tài)的疲勞極限最低。因此，退火過程提高B780CF的疲勞極限，焊接后再退火這一過程降低疲勞極限。

圖4 B780CF的S-N曲線

表3 B780CF疲勞極限

2.3 斷口分析

圖5是B780CF原始態(tài)和退火態(tài)在疲勞加載條件下的疲勞裂紋源區(qū)形貌。由圖5可見，疲勞源萌生于試樣表面，疲勞條紋在疲勞源出呈發(fā)散狀，疲勞裂紋的擴(kuò)展方向沿著垂直于這些條紋的方向擴(kuò)展。

圖5 B780CF疲勞源區(qū)的SEM形貌

圖6是B780CF焊接接頭在疲勞加載條件下的疲勞裂紋源區(qū)形貌和EDS分析。如圖6a所示，疲勞源區(qū)存在夾雜物，圖6b為夾雜物的能譜分析。由圖6可見，疲勞裂紋可萌生于疲勞試樣內(nèi)部Si和Mn的氧化物夾雜。

圖7是B780CF焊接接頭退火態(tài)在疲勞加載條件下的疲勞裂紋源區(qū)形貌。疲勞源區(qū)存在組織異常區(qū)域，異常區(qū)域尺寸為519 μm×1 530 μm，異常組織如圖7b所示。由圖7可見，疲勞裂紋可萌生于疲勞試樣內(nèi)部的組織異常區(qū)域。

圖6 焊接接頭夾雜物SEM形貌與EDS分析

圖7 焊接接頭疲勞源區(qū)形貌

3 結(jié) 論

(1)GMAW焊接工藝條件以及應(yīng)力比為-1條件下的B780CF鋼板原始態(tài)、退火態(tài)和焊接接頭退火態(tài)的疲勞極限依次為400 MPa，415 MPa和360 MPa。退火過程提高B780CF的疲勞極限，焊接后再退火明顯降低疲勞極限。

(2)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)和消應(yīng)力退火后，B780CF焊接接頭的沖擊吸收能量急劇下降，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒粗化，細(xì)晶區(qū)與母材之間的過渡區(qū)變軟，并沿晶界析出托氏體。

(3)B780CF及其焊接接頭的疲勞裂紋可萌生于疲勞試樣的表面，也可萌生于疲勞試樣內(nèi)部的夾雜物和組織異常區(qū)域。

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[7] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 24176—2009金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

2017-04-14

TG405

賈朋剛， 1984年出生，碩士，工程師。主要從事發(fā)電設(shè)備用金屬材料加工工藝及性能的研究，已發(fā)表論文5篇。