礦用自卸車車架疲勞失效試驗(yàn)與研究

關(guān)麗坤 鄧明勝 朱海平

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

某型礦用自卸車部分車架在使用不足10 000 h發(fā)生了焊縫周邊開裂的現(xiàn)象見圖1所示。這種車架主要是用HG70鋼板焊接而成，若焊接工藝不當(dāng)，就會導(dǎo)致在實(shí)際使用中出現(xiàn)焊縫旁邊開裂的現(xiàn)象，除去結(jié)構(gòu)的原因，焊接過程、材料性能都會有很大影響。這種材料具有強(qiáng)度高、低溫韌性好，耐腐蝕的特點(diǎn)［1］。其主要大規(guī)模運(yùn)用于礦山機(jī)械、冶金設(shè)備，并且作為工程機(jī)械用鋼，常用于焊接結(jié)構(gòu)。針對該問題目前大多數(shù)學(xué)者采用有限元仿真的方式來模擬疲勞的危險(xiǎn)區(qū)。其中具有代表性的有：黃妮等［2］利用有限元的方法模擬各種工況下的疲勞危險(xiǎn)區(qū)，并進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化研究；高團(tuán)結(jié)［3］通過試驗(yàn)與不確定理論對礦用自卸車的A型架焊縫進(jìn)行疲勞壽命研究；還有其他疲勞試驗(yàn)研究，然而對于材料和焊接工藝考慮相對較少［4］。本項(xiàng)目著手從工程實(shí)際模擬車架受載，通過疲勞試驗(yàn)對焊縫疲勞壽命進(jìn)行試驗(yàn)，再研究材料的微觀組織、母材與熱影響區(qū)的微觀組織的區(qū)別和電鏡掃描斷口研究開裂的原因。

1 試驗(yàn)材料和尺寸

本次試驗(yàn)選用的是高強(qiáng)度焊接鋼板HG70，選用的鋼板尺寸為500 mm×90 mm×15 mm，采用埋弧焊的方式焊接。這種高強(qiáng)度低合金鋼材在礦山和冶金機(jī)械和汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，由于加入適量的微量合金元素，具有良好的力學(xué)性能和加工工藝性能［5］。HG70鋼材的相關(guān)力學(xué)性能如表1。通過調(diào)制處理（淬火和回火），屈服強(qiáng)度超過700 MPa。

2 疲勞試驗(yàn)設(shè)備和過程

服役期的車架斷裂位置大多集中在焊縫周邊，而非焊縫開裂。章橋新等［6］認(rèn)為焊縫的硬度高于母材的，硬度最低部位基本處于焊接熱影響區(qū)，表明調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)會產(chǎn)生一定程度的軟化。所以通常焊縫處往往是危險(xiǎn)斷裂區(qū)，這就需要試驗(yàn)來驗(yàn)證焊縫處的疲勞壽命，以保障其在工程實(shí)際中的安全性。為了驗(yàn)證這型鋼材的疲勞壽命和疲勞斷裂位置，本次試驗(yàn)選用了SDS1 000 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)來完成疲勞試驗(yàn)，圖2為疲勞試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖。在常溫狀態(tài)下，縱向加載模擬實(shí)際使用過程中車架受力情況，圖3為試驗(yàn)的試樣。為了模擬HG70鋼材在實(shí)際使用過程中的狀況，選擇正弦波的加載方式施加循環(huán)負(fù)載，直至疲勞斷裂。

疲勞試驗(yàn)得到的結(jié)果見表2。疲勞試驗(yàn)對應(yīng)的最大拉應(yīng)力為370.37 MPa，對應(yīng)的最大壓應(yīng)力為185.19 MPa。疲勞壽命低于105屬于低周疲勞。6組試驗(yàn)最終的斷裂位置基本上和礦用車斷裂情況一致。由于加載方式相同，但加載力大小不同，所以導(dǎo)致壽命不同。

通過幾組試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的鋼材斷口全部是在焊縫旁2～3 cm處，焊縫處未發(fā)現(xiàn)脫焊、斷裂的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于焊接過程中電流大、焊接速度慢，導(dǎo)致局部溫度過大，且未及時(shí)冷卻使母材發(fā)生退火現(xiàn)象，使這一區(qū)域的母材機(jī)械性能發(fā)生改變。考慮到焊區(qū)局部加熱膨脹，焊接殘余應(yīng)力會影響材料，使焊區(qū)受壓產(chǎn)生塑性變形，冷卻后受殘余拉應(yīng)力影響。所以斷裂部位集中在熱影響區(qū)。對于工程實(shí)際使用HG70焊接時(shí)，不僅需要考慮循環(huán)載荷對于焊接頭的作用，還需要考慮焊接工藝的影響［7-8］。這兩者都影響試件的使用壽命。

3 微觀組織研究

通過疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開裂部位都在熱影響區(qū)，所以考慮焊接熱對材料有很大影響。需要對鋼材的微觀組織研究尋找鋼材疲勞破壞的原因。通過對焊接熱影響區(qū)和母材的金相組織進(jìn)行對比分析，以及使用掃描電鏡掃描斷口，尋找疲勞源和斷口形成原因。HG70鋼為高強(qiáng)度合金鋼其主要化學(xué)成分見表3，由于添加了Mo、Nb等元素，材料組織主要以粒狀組織（GS）與粒狀貝氏體（GB）為主［5］。

金相組織分析具體操作步驟：①用線切割機(jī)從試件斷口處和離焊縫較遠(yuǎn)處取樣；②粗磨后精磨試件表面；③用機(jī)械拋光機(jī)做表面拋光處理；④用4%的硝酸酒精溶液侵蝕。用金相顯微鏡觀察，可以看到如圖4的母材金相組織。其中圖4（a）表示母材金相組織，其主體是塊狀鐵素體，還有馬氏體、M/I島組織存在；圖4（b）可以清楚地看到母材中存在粒狀組織（GS）與粒狀貝氏體（GB）。

圖5為熱影響區(qū)的金相組織，其金相組織顏色較母材深，其組織主要是板條狀馬氏體和粒狀貝氏體組織，其金相組織與母材相似但是晶粒明顯比母材粗大，說明確實(shí)存在回火軟化區(qū)。

疲勞破壞可以分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋拓展和失穩(wěn)斷裂。疲勞斷口一般可以分為3個(gè)區(qū)域：疲勞源、疲勞斷裂拓展區(qū)和快速斷裂區(qū)［9］。圖6可以看到該材料的3個(gè)區(qū)域。通常對斷口研究可以分2種：一種是宏觀的即用肉眼和低倍放大鏡觀察初步判斷；另一種是微觀即通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡研究斷口。疲勞源很小，宏觀上看不到，放大500倍后可看出明顯的疲勞裂紋，可判斷宏觀缺陷性質(zhì)和事故發(fā)生原因。疲勞擴(kuò)展區(qū)為細(xì)晶粒，深色、平滑、海灘狀?？焖贁嗔褏^(qū)（瞬時(shí)斷裂區(qū)）為粗晶粒，凹凸不平、白色撕裂或臺階狀［9］。

圖7為疲勞斷口的電鏡掃描圖。如圖7（a）可以看到很多韌窩，這是由于疲勞裂紋的萌生都是局部塑形應(yīng)變集中所引起的，這部分?jǐn)嗔褜儆陧g性斷裂晶界弱化形成韌窩，符合疲勞源的特征。圖7（b）中有河流花樣特征。圖7（b）十分平滑韌窩少，這部分屬于脆性斷裂中的解理斷裂。解理面上產(chǎn)生微觀的塑性變形，從而形成解理臺階、河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣、扇形花樣及瓦納線等特征。圖7（c）中同時(shí)存在韌性斷裂和解理斷裂，說明同時(shí)存在韌斷和脆斷的情況。這種情況符合快速斷裂區(qū)的特征。

4 結(jié)論

對于工程實(shí)際使用HG70焊接時(shí)，不僅需要考慮循環(huán)載荷對于焊接頭的作用，還需要考慮焊接工藝的影響。對于本次試驗(yàn)的試件出現(xiàn)焊縫邊開裂原因主要有兩點(diǎn)：一焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，包括焊接參數(shù)、工藝措施、施焊質(zhì)量等；二是焊接殘余應(yīng)力影響。由微觀組織研究發(fā)現(xiàn)焊縫處存在明顯回火區(qū)，回火區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，使鋼材機(jī)械性能下降。斷口處掃描結(jié)果可以找到疲勞源，疲勞輝紋及瞬時(shí)斷裂區(qū)特征，以及確定材料的斷裂形式，符合疲勞斷裂的特征。對此提出幾點(diǎn)礦用自卸車車架焊接時(shí)可以參考的意見：①使用CO2氣體保護(hù)的方式焊接；②對于焊接過程中形成熱影響區(qū)，應(yīng)該及時(shí)散熱；③通過預(yù)熱的方式，降低其冷卻速度改善焊接接頭組織，降低焊接接頭各部位硬度；④為了消除焊接的殘余應(yīng)力，在焊接部位采用噴丸等表面處理方式，強(qiáng)化表面提高強(qiáng)度。