摘 要:采用 CO2 气体保护焊对30mm 厚高强韧中锰钢板进行对焊试验,通过圆棒拉压疲劳 试验获得中锰钢焊接接头的应力幅-寿命曲线,测定了其高周疲劳极限并观察其断口形貌。结果表 明:在应力比为-1、循环次数为10 7 周次条件下,中锰钢焊接接头的高周疲劳极限为353 MPa;当 中锰钢焊接接头焊缝中存在明显的焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于微观缺陷处,而当焊缝中无焊接缺 陷时,疲劳裂纹萌生于试样表面熔合线位置,疲劳裂纹扩展区表面粗糙,存在着明显的二次裂纹,瞬 断区表面存在大量均匀细小的韧窝。
关键词:中锰钢;CO2 气体保护焊接头;高周疲劳;疲劳极限;疲劳断口
中图分类号:TG47 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0047-04
0 引 言
随着石油、天然气等能源的开采逐渐由陆地和 浅海向深海和极地地区转移,高强韧海洋平台用钢 的需求量不断增加[1-2]。热轧中锰钢兼具高强度、优 异低温冲击韧性、屈强比可控和低成本等特点,在海 洋平台建造上有着广阔的应用前景[3-5]。海洋平台 是典型的超大焊接钢结构,其钢材料焊接性能的好 坏直接决定着海洋平台的使用寿命。在焊接热循环 作用下,中锰钢优异的强韧性能将会受到影响[6]。 此外,焊接接头中存在应力集中、残余应力和焊接缺 陷,也会进一步降低焊接接头的力学性能[7]。海洋平 台在波浪、海潮和极寒流冰的环境下服役,这就要求 海洋平台结构在具有高强韧性的同时,还需具有较好的抗疲劳性能和抗层状撕裂能力[8]。疲劳是指材料 在循环应力的作用下,在一处或几处逐渐产生局部的 永久性累积损伤,并在应力循环一定次数后产生裂纹 或裂纹进一步扩展直至发生完全断裂的过程[9]。与 母材相比,焊接接头对疲劳循环应力的敏感性更高, 产生裂纹的危险性更大,因此焊接结构的疲劳断裂通 常发生在焊接接头处,焊接结构的疲劳强度主要取决 于焊接接头的疲劳强度。
目前,有关热轧中锰钢的研究主要集中在显微 组 织、力 学 性 能、焊 接 性 能 和 疲 劳 性 能 等 方 面[2,6,10-11],但未见有关中锰钢焊接接头疲劳性能的 研究报道。为此,作者对30mm 厚高强韧中锰钢板 进行 CO2 气体保护焊,通过圆棒拉压疲劳试验获得 中锰钢焊接接头的应力幅-寿命(S-N)曲线,测定了 其高周疲劳极限,并观察其断口形貌,以期为中锰钢 在海洋平台建造上的推广应用奠定基础。
1 试样制备与试验方法
试验用母材为国内某钢厂生产的30mm 厚轧 制 态 中 锰 钢 板,其 化 学 成 分 (质 量 分 数/%)为0.05C,0.20Si,5.45Mn,0.008P,0.006S,其屈服强度 为723 MPa,抗拉强度为835 MPa,断后伸长率为 26.34%,-40 ℃冲击吸收功为149J。沿轧制方向 切取尺寸为400mm×200mm×30mm 的中锰钢 板,将钢板加工成对称的双 V 型坡口,单边坡度为 30°,钝边宽度为2mm。用螺栓固定对焊母材的相 对位置,组对间隙为2mm。在 CO2 半自动气体保 护焊焊机上,采用低合金高强钢实芯焊丝对中锰钢 板进行对焊试验。焊丝直径为1.2mm,化学成分(质 量分数/%)为0.08C,0.51Si,1.75Mn,0.009P,0.007S; 其屈服强度为670 MPa,抗拉强度为830MPa,断后 伸长率为19.0%,-20 ℃冲击吸收功为105J。焊前 预热温度为200℃,层间温度为180~200℃,焊接热 输入为15kJ·cm -1,焊后进行200 ℃保温120min 去氢处理,焊道分布如图1所示。
在焊接接头1/4厚度处垂直于焊缝方向截取尺 寸为?12mm×110mm 的光滑圆棒试样,焊缝位于 试样的中心,在试样两端分别加工出30mm 长规格 为 M12mm×1.5mm 的螺纹。由于疲劳试验对试 样表面粗糙度的要求较高,在对疲劳试样工作段铣 削和精车过程中,需要严格控制车削速度,在与最终 尺寸相差0.1mm 时,对试样进行精磨,消除试样表 面在加工过程中产生的残余应力,再用机械抛光的方法对工作段做最后表面处理,疲劳试样的尺寸如 图2所示。按照 GB/T3075—2008,在 GPS-100型 高频疲劳试验机上进行高周疲劳试验,采用纵向拉 压的加载方式,应力比R 为-1,循环应力波形为正 弦波,工作频率为150Hz,试验温度为室温,采用单 试样法建立中锰钢焊接接头的S-N 曲线,应力幅为 330~450 MPa;采用升降法确定中锰钢焊接接头的 条件疲劳极限,升降法的应力增量为20MPa。疲劳 试 验 结 束 后,使 用 FEIQuanta600 型 扫 描 电 镜 (SEM)观察疲劳断口微观形貌。
