Q310/Q345電阻點(diǎn)焊接頭組織與疲勞性能研究

魯二敬 ，桂洪利 ，張艷輝 ，郝曉衛(wèi) ，么振江 ，宗桓旭

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連遼寧116028）

0 前言

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)車車輛的抗大氣腐蝕性能要求越來(lái)越高。用耐候鋼制造的鐵道車輛可以減少車輛在大氣中的嚴(yán)重腐蝕，明顯提高了車輛的使用壽命[1]。使用電阻點(diǎn)焊技術(shù)焊接耐候鋼薄板，成本低、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，逐漸成為客車車體制造的主要連接技術(shù)之一。點(diǎn)焊接頭部位往往是車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱的部位，在列車服役期間最容易發(fā)生疲勞斷裂失效，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性決定了車體整體的疲勞可靠性[2]。本研究通過(guò)對(duì)Q310與Q345兩種耐候鋼搭接接頭進(jìn)行金相組織分析、硬度試驗(yàn)和脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)，研究?jī)煞N耐候鋼搭接接頭的顯微組織、硬度分布與疲勞性能，為我國(guó)鐵路車輛制造提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為采用國(guó)標(biāo)GB/T4171－2008的耐候鋼Q310和Q345，尺寸分別為130mm×45 mm×1.5 mm和130 mm×45 mm×3 mm，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料和焊接材料的主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental and welding material %

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)1.5 mm Q310＋3 mm Q345進(jìn)行電阻點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，采用ZDT－B260－GB型焊機(jī)，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

焊后對(duì)搭接接頭進(jìn)行金相試樣加工，研磨、拋光后選用4%硝酸酒精溶液侵蝕試樣，然后在金相顯微鏡下觀察接頭的顯微組織形態(tài)。根據(jù)GB/T4340.1－2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》，利用FM－700型顯微硬度儀測(cè)量?jī)蓚?cè)不同鋼材從熔核至母材的維氏硬度分布，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷200 gf（1.96 N），保持時(shí)間 15 s，步長(zhǎng) 200 μm。

對(duì)搭接接頭進(jìn)行脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)。試板經(jīng)正反打磨，去掉余高，加工成如圖1所示的疲勞試驗(yàn)試件。試驗(yàn)設(shè)備為PLG－100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，其技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負(fù)荷精度±1%，動(dòng)負(fù)荷平均波動(dòng)度±1%，動(dòng)負(fù)荷振幅波動(dòng)度±2%。試驗(yàn)采用的循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命1×107次。試驗(yàn)時(shí)按常規(guī)方法各測(cè)定F－N曲線，曲線的高應(yīng)力段按每一應(yīng)力水平取1個(gè)試件確定，水平段是通過(guò)升降法確定的指定壽命為1×107次時(shí)的中值疲勞極限強(qiáng)度F0.1。

圖1 疲勞試驗(yàn)加工件Fig.1 Work pieces of fatigue test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織

搭接接頭的顯微組織如圖2所示。圖2a為Q310母材，為大量白色鐵素體＋少量黑色層片狀珠光體組織，由于經(jīng)過(guò)正火處理，珠光體組織較為均勻細(xì)?。粓D2b為Q310側(cè)細(xì)晶區(qū)，該處受焊接熱循環(huán)影響，被加熱到Ac3線以上部位，發(fā)生重結(jié)晶，冷卻后得到較母材更為均勻、細(xì)小的組織，且珠光體轉(zhuǎn)變更加充分，故組織為少量鐵素體＋大量灰黑色珠光體；圖2c為Q310粗晶區(qū)，該處距離熔核很近，在焊接過(guò)程中處于過(guò)熱狀態(tài)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，冷卻后珠光體組織層片更粗，鐵素體晶粒也有所長(zhǎng)大；圖2d為Q310側(cè)熔核，黑色板條馬氏體交錯(cuò)分布，其間有少量貝氏體，呈柱狀晶分布。在點(diǎn)焊過(guò)程中，熔核邊緣地帶母材與已熔化液相金屬接觸，為冷卻時(shí)熔核區(qū)晶粒的非自發(fā)形核提供了便利條件。晶粒沿著散熱最快方向即指向熔核中心生長(zhǎng)，兩側(cè)柱狀晶在中間相遇，阻礙彼此的繼續(xù)生長(zhǎng)，因此，最終在熔核內(nèi)形成從中心向四周呈發(fā)散型分布的柱狀晶形態(tài)。

圖2e為Q345母材，組織為鐵素體＋珠光體；圖2f為Q345側(cè)細(xì)晶區(qū)，為鐵素體＋珠光體組織，經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)影響，奧氏體轉(zhuǎn)變更充分，鐵素體含量變少，珠光體組織則變得細(xì)小[3]；圖2g為Q345側(cè)粗晶區(qū)，組織為少量鐵素體＋珠光體，基體上彌散分布著一些粒狀碳化物；圖2h為Q345熔核區(qū)，組織為典型的板條馬氏體群＋少量殘余奧氏體，白色薄層殘余奧氏體分布在馬氏體板條之間，能夠顯著改善熔核區(qū)的力學(xué)性能，柱狀組織更加清晰。

圖2 焊接接頭的顯微組織Fig.2 Microstructure of welded joints

2.2 硬度試驗(yàn)

分別從兩種鋼的熔核區(qū)向其各自母材方向測(cè)量接頭硬度，接頭的硬度值分布如圖3所示。可以看出，兩種鋼在熔核區(qū)的硬度值差別不大，均在405～495 HV，Q310熔核區(qū)的硬度值波動(dòng)較大，說(shuō)明其熔核區(qū)組織不均勻，Q345熔核區(qū)硬度值穩(wěn)定，說(shuō)明其柱狀晶排布較規(guī)律。熔核區(qū)硬度值最高，這是由于熔核區(qū)組織主要為板條馬氏體；兩種鋼的粗晶區(qū)硬度約為350 HV，粗晶區(qū)雖然晶粒較為粗大，但是奧氏體孕育和轉(zhuǎn)變充分，珠光體含量高，仍然保持較高的硬度水平；細(xì)晶區(qū)硬度為220～250 HV，組織與母材相近，但受到焊接熱影響，珠光體含量仍高于母材，且組織均勻細(xì)小，有細(xì)晶強(qiáng)化的作用，所以硬度值略高于母材；兩種鋼均為低碳鋼且組織相同，所以母材硬度基本一致，穩(wěn)定在200～235 HV。

圖3 接頭的硬度分布Fig.3 Hardness test result for welded joint

2.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞試件宏觀斷口如圖4所示。整條裂紋線呈一個(gè)平緩V形，由熔核區(qū)啟裂，沿垂直于試件長(zhǎng)度方向延伸，有的裂紋橫貫整個(gè)試件，有的裂紋中止在試件內(nèi)部。裂紋啟裂于熔核區(qū)的原因如下：

（1）搭接接頭的熔核區(qū)承受剪切和拉伸兩種力作用，易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

（2）電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，加熱階段時(shí)間很短，且不均勻性很大，熔核區(qū)邊緣處組織不均勻，裂紋易萌生、擴(kuò)展。

（3）熔核區(qū)組織為從熔合線指向熔核區(qū)中心的柱狀晶，多數(shù)雜質(zhì)分布在柱狀晶晶界，受載荷作用，裂紋以這些雜質(zhì)為基礎(chǔ)形核。

可以看出，斷口宏觀啟裂區(qū)為整個(gè)熔核截面，呈貝殼狀斷口，沿柱狀晶晶界斷裂，主要是在柱狀晶形成過(guò)程中，其晶界處有著較多夾雜物和一定數(shù)量的微孔洞，為裂紋的形核提供便利。擴(kuò)展區(qū)極為平整，區(qū)域面積較大。終斷區(qū)呈發(fā)亮的結(jié)晶狀。

圖4 疲勞試件斷口宏觀Fig.4 Macrophotograph of fatigue specimen

通過(guò)升降法確定電阻點(diǎn)焊的搭接接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限。應(yīng)力水平3級(jí)，有效試樣數(shù)12個(gè)，子樣對(duì)4個(gè)。由升降法計(jì)算出搭接接頭的中值疲勞強(qiáng)度為

疲勞極限升降圖如圖5所示，其中×代表斷裂，○代表未斷裂。接頭疲勞中值F－N曲線如圖6所示。

圖5 疲勞極限升降Fig.5 Fatigue limit lift figure

圖6 接頭中值F-N曲線Fig.6 Fatigue median F-N curve

在JSM－6360LV型掃描電鏡上進(jìn)行疲勞斷口微觀形貌分析，如圖7所示。試件受剪切和拉伸兩種應(yīng)力，應(yīng)力集中在試件長(zhǎng)度方向，作用于熔核邊緣部位，而熔核區(qū)邊緣兩薄板搭接厚度不等，因應(yīng)力集中而啟裂；由圖7a和圖7b可知，熔核區(qū)內(nèi)側(cè)有明顯的啟裂源，啟裂區(qū)呈粗纖維狀，上面有一些微孔，受點(diǎn)焊時(shí)壓力影響，熔核呈平整的半圓形，且熔核完整無(wú)缺陷[4]。裂紋由初使位置啟裂后沿著熔核邊緣擴(kuò)展，貫穿熔合區(qū)后，因應(yīng)力集中、缺口等因素繼續(xù)向著母材擴(kuò)展[5]。圖7c為擴(kuò)展區(qū)，可觀察到疲勞輝紋，擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大；圖7d為終斷區(qū)，有典型的舌狀花樣，為解理形態(tài)。熔核邊緣兩薄板搭接處應(yīng)力集中是斷裂的主要原因。

圖7 疲勞試件斷口形貌Fig.7 Fracture appearance of welding specimen

3 結(jié)論

（1）Q310鋼和Q345鋼組織較為相似。母材組織均為先共析鐵素體＋珠光體；熱影響區(qū)為少量鐵素體＋珠光體。珠光體含量較母材明顯升高，珠光體層片變厚；熔核區(qū)組織為板條馬氏體＋少量貝氏體，有薄層狀白色殘余奧氏體分布在板條馬氏體間隙，均為明顯的柱狀組織。

（2）Q310與Q345鋼的各區(qū)域硬度值相差不大。Q345側(cè)熔核硬度值分布穩(wěn)定，Q310側(cè)熔核硬度值波動(dòng)較大，熔核區(qū)硬度值最高，為405～495 HV；熱影響區(qū)硬度有所下降，粗晶區(qū)硬度值約為350HV，細(xì)晶區(qū)硬度值為220～250 HV；母材硬度值最低，在200～235 HV。

（3）點(diǎn)焊接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強(qiáng)度F0.1為1.6 kN。啟裂源位于熔核區(qū)外側(cè)兩板搭接間隙處，啟裂區(qū)呈粗纖維狀，表面有一些微孔，擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞輝紋，終斷區(qū)有典型的舌狀花樣，為微孔型＋解理型混合斷裂類型。熔核邊緣兩薄板搭接處的應(yīng)力集中是疲勞斷裂的主要原因。