4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭紅外疲勞裂紋擴(kuò)展研究

衛(wèi)朝陽(yáng),閆志峰,王鐘楠,許澤清,周翠蘭

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

?

4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭紅外疲勞裂紋擴(kuò)展研究

衛(wèi)朝陽(yáng),閆志峰,王鐘楠,許澤清,周翠蘭

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

對(duì)4003鐵素體不銹鋼MIG焊(metal inert-gas welding)焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了研究。采用紅外熱像儀對(duì)焊接接頭在疲勞循環(huán)載荷作用下的溫度變化與應(yīng)力強(qiáng)度因子變化進(jìn)行了探究,使用掃描電鏡觀察了焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展斷裂特性。結(jié)果表明,焊縫裂紋擴(kuò)展符合Paris公式,疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程可分為3個(gè)階段:初始無(wú)溫升階段，裂紋呈低速率擴(kuò)展，斷口呈現(xiàn)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(wěn)定速率擴(kuò)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(jī)制的轉(zhuǎn)變,故溫度變化是深入研究裂紋擴(kuò)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(kuò)展;斷裂機(jī)理

4003鐵素體不銹鋼以其優(yōu)良的力學(xué)性能及耐腐蝕性能而廣泛應(yīng)用于列車車體的制造材料[1]。目前對(duì)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(xué)性能和腐蝕性能上。張堯[2]研究了焊接修復(fù)對(duì)4003鐵素體不銹鋼接頭性能的影響,結(jié)果表明，焊接修復(fù)一次與二次對(duì)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(fù)會(huì)造成其疲勞性能下降,因此應(yīng)減少焊接熱輸入,采用小的線能量并嚴(yán)格控制道間溫度。張昭晗[3]應(yīng)用冷金屬過(guò)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(duì)4003鐵素體不銹鋼焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能和耐腐蝕性能研究,表明MIG焊的焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能均較為優(yōu)越。

國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展性能的研究尚處于起步階段。然而機(jī)車車體焊接結(jié)構(gòu)多承受交變載荷的作用,疲勞斷裂具有突發(fā)性,往往造成災(zāi)難性的事故,對(duì)生命財(cái)產(chǎn)會(huì)造成巨大損失。因此,對(duì)4003鐵素體不銹鋼焊接接頭裂紋的擴(kuò)展特征進(jìn)行研究,可以減少災(zāi)難性事故的發(fā)生。

就裂紋擴(kuò)展研究方法而言,描述裂紋擴(kuò)展應(yīng)用最為廣泛的是Paris公式[4]。

(1)

式中：da/dN表示裂紋擴(kuò)展速率，mm(a為裂紋長(zhǎng)度，mm；N為疲勞循環(huán)次數(shù));ΔK表示應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍;C,m為材料相關(guān)的常數(shù)。由于材料的ΔK計(jì)算復(fù)雜,且不能實(shí)時(shí)反映材料的裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),因此近年來(lái),以溫度變化來(lái)直觀、實(shí)時(shí)地反映材料裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的紅外熱像法研究材料的疲勞裂紋擴(kuò)展性能成為熱點(diǎn)[5-7]。本課題組前期利用紅外熱像法對(duì)4003鐵素體不銹鋼母材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了研究[8],對(duì)其焊接接頭進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率研究,該研究為4003鐵素體不銹鋼日后更加廣泛的應(yīng)用提供科研依據(jù)。

本文主要對(duì)4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭在高頻載荷下疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)的溫度演化進(jìn)行研究,建立溫度變化與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系,同時(shí)對(duì)其斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用厚度為5 mm的4003鐵素體不銹鋼的板材作為試驗(yàn)材料,其化學(xué)成分如表1所示,其力學(xué)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(yàn)在AX-MV6自動(dòng)焊接機(jī)器人上進(jìn)行,焊機(jī)型號(hào)為OTC/DM500,焊接參數(shù)如表3所示。

表1 4003鐵素體不銹鋼化學(xué)成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 4003鐵素體不銹鋼力學(xué)性能

表3 MIG焊接工藝參數(shù)

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(qū)域則較為復(fù)雜,有粗大的鐵素體組織,同時(shí)出現(xiàn)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(yàn)結(jié)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(duì)焊接接頭的硬度進(jìn)行了測(cè)量,其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,焊接接頭硬度最大區(qū)域?yàn)镠AZ,比母材和焊縫區(qū)的硬度要高，主要是因?yàn)镠AZ區(qū)域在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后產(chǎn)生馬氏體相變,導(dǎo)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(yàn)方法

為了進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn),將對(duì)接焊完后的板材在DK7735型線切割機(jī)上加工成標(biāo)準(zhǔn)的CT試件,其中缺口所對(duì)應(yīng)的中線為焊縫中心。其尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 裂紋擴(kuò)展CT試樣尺寸示意圖Fig.3 CT specimen dimensions for crack propagation

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在PLG-200D型高頻疲勞拉壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,循環(huán)特征系數(shù)R=0.1;疲勞頻率為100 Hz。采用VarioCAM hr research紅外熱像儀進(jìn)行溫度測(cè)量,其像素參數(shù)為1 280×960;溫度測(cè)量靈敏度在30 ℃時(shí)為0.08 ℃;空間分辨率是1.2 mrad;溫度錄制頻率為25 Hz。整個(gè)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在室溫空氣中進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)將紅外熱像儀放置于試樣前的500 mm處。

在正式開(kāi)始疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)之前,先進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)置,預(yù)置長(zhǎng)度為2 mm，之后進(jìn)行加載。共進(jìn)行4組試驗(yàn),其最大載荷依次為:7.9,9.1,9.7,12.1 kN。在裂紋擴(kuò)展過(guò)程當(dāng)中,每擴(kuò)展1 mm,記錄相應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a和疲勞循環(huán)次數(shù)N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果

4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭的裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。將所獲得的數(shù)據(jù)按照遞增多項(xiàng)式法處理,可獲得焊縫的(da/dN)-ΔK曲線,其中,da/dN表示裂紋擴(kuò)展速率,ΔK表示應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。

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

ΔK是試驗(yàn)材料的形狀、所承受載荷、裂紋長(zhǎng)度等參數(shù)的綜合反映,其良好的線性關(guān)系表明，使用ΔK來(lái)描述4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)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(guān)系,即符合Paris公式。

2.2 裂紋擴(kuò)展紅外溫度試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為利用紅外熱像儀測(cè)得的裂紋擴(kuò)展過(guò)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(kuò)展速率的溫度演化可以分為3個(gè)階段:初始無(wú)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(gè)階段的宏觀紅外熱像圖如圖6所示。

圖5 裂紋擴(kuò)展過(guò)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(kāi)始宏觀熱像圖無(wú)法觀察到裂紋尖端,整個(gè)試件溫度一致(圖6-a);之后,進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展階段,可以清晰地觀察到裂紋尖端光斑區(qū)域(圖6-b)；隨著裂紋的擴(kuò)展,熱源也跟著往前移動(dòng)(圖6-c)。根據(jù)對(duì)熱像圖的觀測(cè)研究中可將移動(dòng)熱源簡(jiǎn)化為圖7所示的模型,即:裂紋擴(kuò)展過(guò)程中,僅在裂紋尖端的循環(huán)塑性區(qū)產(chǎn)熱并造成試樣溫度升高。如圖7所示,假設(shè)在循環(huán)塑性區(qū)中心存在一條沿著材料厚度方向的線熱源,裂紋擴(kuò)展速度為v,線熱源在裂紋擴(kuò)展時(shí)間t內(nèi)向前移動(dòng)vt,即這條移動(dòng)線熱源造成了試驗(yàn)過(guò)程中材料表面的溫度變化。

圖7 裂紋擴(kuò)展移動(dòng)熱源模型示意圖Fig.7 Schematic of moving heat source model for crack propagation

該線熱源的產(chǎn)熱量則由循環(huán)塑性區(qū)大小所決定,其產(chǎn)熱量大小可表示如下[9]:

(2)

式中：q表示裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)的能量耗散;f為加載頻率;ξ為單次循環(huán)下裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)的能量耗散;η為材料相關(guān)的常數(shù);rc為裂紋尖端塑性區(qū)半徑,在平面應(yīng)力和平面應(yīng)變條件下分別如下所示:

(3)

式中：ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍;σy表示材料的循環(huán)屈服應(yīng)力。最終可獲得其溫差Δt[10-11]:

(4)

式中：k表示材料的熱傳導(dǎo)系數(shù);λ表示材料的熱導(dǎo)率;v表示裂紋擴(kuò)展速率;x表示線熱源移動(dòng)的距離;r表示距離線熱源的距離;K0為貝塞爾函數(shù)。當(dāng)加載條件和材料確定的時(shí)候,可以看出,溫度變化Δt為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的函數(shù)。

本試驗(yàn)采用的板材較薄,厚度為5mm,因而所處狀態(tài)為平面應(yīng)力狀態(tài)。初始時(shí),裂紋尖端塑性區(qū)較小,轉(zhuǎn)化的熱量較小,造成溫度沒(méi)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(kāi)始就有增長(zhǎng)之外,其他均有溫度平穩(wěn)的初始階段。從第2階段開(kāi)始,溫度快速上升并至較高溫度,此時(shí)ΔK較大,根據(jù)公式(3)可知裂紋尖端塑性區(qū)較大,釋放出較多能量,進(jìn)而由公式(4)可得最終溫度上升較多。最后,試驗(yàn)停止之后,溫度自然下降到室溫水平。由公式(4)可知,當(dāng)加載條件確定時(shí),溫度變化Δt是應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍變化ΔK的函數(shù),即更加宏觀的Δt可以用來(lái)描述抽象的ΔK的變化。二者變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 焊縫裂紋擴(kuò)展過(guò)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(gè)對(duì)應(yīng)著溫度開(kāi)始上升的門(mén)檻值,將其定義為ΔKth,temp。各個(gè)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(gè)不同試件在ΔK值相同時(shí)其溫度上升也十分接近。試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了熱源模型中的公式(4),即溫度變化Δt是ΔK的函數(shù)，不論載荷大小,只要其在擴(kuò)展過(guò)程中ΔK值一致,其溫升值也接近相同。因此,Δt可以用來(lái)代替ΔK來(lái)描述裂紋擴(kuò)展速率da/dN。而當(dāng)ΔK小于ΔKth,temp,由公式(2)可知,由于此時(shí)裂紋尖端塑性區(qū)域較小,產(chǎn)熱量十分小,進(jìn)而沒(méi)有明顯的溫度上升,此時(shí)的Δt并不能反映ΔK的變化。

2.3 斷口分析

圖9為裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不同階段的斷口照片,由圖9可知,在裂紋擴(kuò)展的初期,即ΔK較小的階段,斷口形貌呈現(xiàn)出解理斷裂(圖9-a)),結(jié)合溫度演化曲線可以看出,此時(shí)幾乎沒(méi)有溫度變化。在裂紋擴(kuò)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(qiáng),同時(shí)斷口可觀察到二次裂紋,預(yù)示此時(shí)變形程度增大,結(jié)合溫度變化可知,此時(shí)溫度上升較為明顯。

從微觀角度來(lái)看,斷裂機(jī)理是從脆性的解理斷裂方式逐步變?yōu)樗苄蕴卣鬏^為明顯的斷裂方式。斷裂機(jī)理的變化可以證實(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中溫度的變化情況。

3 結(jié)論

1) 4003鐵素體不銹鋼MIG焊焊接接頭的裂紋擴(kuò)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(kuò)展不同階段斷口形貌Fig.9 Fractograph of fracture surface at different stages

2) 裂紋擴(kuò)展過(guò)程中,試件表面溫度變化經(jīng)歷以下3個(gè)階段:初始無(wú)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(guān)系,當(dāng)ΔK的值大于ΔKth,temp,可以通過(guò)溫度變化代替ΔK來(lái)描述裂紋擴(kuò)展速率。

4) 斷口形貌發(fā)現(xiàn)在低速率擴(kuò)展階段呈現(xiàn)出解理斷裂特征,此時(shí)相對(duì)應(yīng)的紅外試驗(yàn)無(wú)明顯溫度變化;高裂紋擴(kuò)展速率階段呈現(xiàn)出疲勞條紋塑性特征,溫度上升較快。

[1] 趙雯雯,許鴻吉,謝明,等.1.4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(6):35-38.

[2] 張堯.焊接修復(fù)對(duì)鐵素體不銹鋼焊接接頭組織和性能影響的研究[D].大連:大連交通大學(xué),2014.

[3] 張昭晗.T4003鐵素體不銹鋼焊接熱影響區(qū)組織及性能研究[D].太原:太原理工大學(xué),2015.

[4] KLINGBEIL N W.A total dissipated energy theory of fatigue crack growth in ductile solids[J].Int J Fatigue,2003,25:117-128.

[5] MYRIOUNS D P,KORDATOS E Z,HASAN S T,et al.Crack-tip stress field and fatigue crack growth monitoring using infrared lock-in thermography in A359/SiCp composites[J].Strain,2011,47:619-627.

[6] 陳鵬達(dá),王鐘楠,許澤清,等.基于紅外熱像法對(duì)5A06鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展中的各向異性研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,46:495-498.

[7] KONSTANTINOS G D,EVANGELOS Z K,DIMITRIS G A,et al.Crack growth monitoring in ceramic matrix composites by combined infrared thermography and acoustic emission[J].J Am Ceram Soc,2014,97:251-257.

[8] ZHANG H X,Wei C Y,Yan Z F,et al.Research on fatigue crack propagation behaviour of 4003 ferritic stainless steel based on infrared thermography[J].Fatigue Fract Eng Mater Struct,2016,39:206-216.

[9] RANC N,WAGNER D,PARIS P C.Study of thermal effects associated with crack propagation during very high cycle fatigue tests[J].Acta Mater,2008,56(15):4012-4021.

[10] PANDEY K N,CHAND S.Analysis of temperature distribution near the crack tip under constant amplitude loading[J].Fatigue Fract Eng Mater Struct,2008,31:316-326.

[11] ROSENTHAL D.The theory of moving sources of heat and its applications to metal treatments[J].Trans ASME，1946,68:849-866.

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

衛(wèi)朝陽(yáng)(1989-),男,山西運(yùn)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(jí)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