30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展特性研究

張穎云，胡生雙，朱增輝，鄭 超，龍 健，張林杰

（1. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 西安 710089；2. 西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049）

30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼經(jīng)熱處理后可獲得高的強(qiáng)度、好的塑性和韌性、良好的抗疲勞性能和斷裂韌度，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)翼大梁和起落架等航空結(jié)構(gòu)件[1–3]。由于該構(gòu)件尺寸較大，整體成形較為困難，焊接成為其必要的加工方式[4–5]。研究表明，對于超高強(qiáng)度鋼的焊接，如果采用傳統(tǒng)的電弧焊接方法，需要嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和層間溫度，工藝繁瑣，效率低下，成形質(zhì)量的穩(wěn)定性較差，產(chǎn)品的合格率難以保證，而且較大的熱輸入會導(dǎo)致焊后變形較大，焊縫組織晶粒粗大，嚴(yán)重影響接頭的成形質(zhì)量[6]。真空電子束焊接具有能量密度高、穿透能力強(qiáng)、焊接變形小、加熱速度快、熱影響區(qū)較窄、輸入能量容易精確控制等特點(diǎn)，同時(shí)，能有效防止有害氣體對焊縫的影響，改善焊縫的組織和接頭性能[7–9]。在工程中，材料或構(gòu)件中總是不可避免地存在夾雜、裂紋等缺陷，尤其是焊接件，這些缺陷來源于材料本身的冶金缺陷或加工、制造、裝配及使用等過程中的損傷。有的直接以裂紋形式出現(xiàn)，有的是在疲勞載荷作用下逐漸形成的裂紋。對于一些大型的重要結(jié)構(gòu)件，一旦出現(xiàn)裂紋，常需要依靠檢修來保證安全，如何控制維修周期，研究含缺陷結(jié)構(gòu)件的疲勞問題顯得尤為重要[10–12]。

本文比較了26mm 厚30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能，并分析了接頭各區(qū)域的疲勞斷口，以期為高強(qiáng)鋼真空電子束焊接技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料和焊接參數(shù)

圖1（a）為30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接件的尺寸示意圖。該焊接件由兩塊長310mm、寬100mm、厚26mm 的試板對接焊而成。圖1（b）為焊接件中心位置的焊縫橫截面圖。表1為30CrMnSiNi2A 鋼的化學(xué)成分表?？芍缚p寬度約為3.5mm 左右，熱影響區(qū)的寬度約為1.5mm。表2為焊接件使用的焊接參數(shù)。焊接件焊接完成后進(jìn)行淬火+低溫回火； 900℃下進(jìn)行油淬；在空氣爐中保溫100min，然后進(jìn)行回火，回火溫度250℃，回火時(shí)間230min；最后在空氣中冷卻。

表1 30CrMnSiNi2A 鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of 30CrMnSiNi2A steel(mass fraction) %

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

圖1 30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接件尺寸及焊縫橫截面Fig.1 Schematic diagram and cross-sectional morphology of electron beam welded joint of 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel

1.2 顯微組織觀察

依次觀察母材區(qū) （BM）、熱影響區(qū) （HAZ）和焊縫區(qū)（WM）顯微組織。采用尼康倒置金相顯微鏡 （ECLIPSE MA200）；試驗(yàn)所用腐蝕劑是體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精，腐蝕時(shí)間約為5s；同時(shí)，采用掃描電鏡 （SU3500）觀察了接頭各區(qū)域的顯微組織，腐蝕劑是體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精，但腐蝕時(shí)間為7s。

1.3 顯微維氏硬度

從母材左側(cè)到右側(cè)，打點(diǎn)間隔為0.5mm，由于焊縫和熱影響區(qū)較窄，這兩個區(qū)域的打點(diǎn)間隔為0.25mm，試驗(yàn)設(shè)備型號為HXD–1000TMC/LCD。試驗(yàn)力為200g（1.961N），保載時(shí)間為15s。

1.4 疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)

接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)的取樣位置如圖2所示。疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)按照GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON–1341。試驗(yàn)條件為室溫、大氣環(huán)境。采用軸向應(yīng)力控制，加載頻率為20Hz，應(yīng)力比R=0.1，波形為正弦波，每個區(qū)域3 個重復(fù)試樣，共計(jì)9 個試樣。

圖2 30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接件疲勞裂紋擴(kuò)展試樣取樣示意圖Fig.2 Sampling schematic diagram of electron beam welded joint fatigue crack propagation sample of 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel

圖3是超高強(qiáng)度鋼電子束焊接件疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的尺寸示意圖。CT 試樣尺寸參數(shù)為62mm×60mm×8mm，初始裂紋長度為12.5mm，初始預(yù)制疲勞裂紋長度為2.5mm。

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣尺寸示意圖 （mm）Fig.3 Schematic diagram of specimen size of fatigue crack growth rate experiment (mm)

1.5 疲勞斷口形貌觀察

疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)完成后，將斷口放在99.7%乙醇溶液中超聲清洗30min，清洗完迅速烘干。采用鎢燈絲掃描電鏡（SU3500）觀察疲勞試樣斷口。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭各區(qū)域金相顯微組織

圖4是30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接接頭各區(qū)域的顯微組織形貌。30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼的淬透性較大，但由于碳當(dāng)量較大，焊接性較差，焊接件需要進(jìn)行焊后熱處理。研究表明，30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼主要通過回火馬氏體保證強(qiáng)度[13–14]。本研究的接頭經(jīng)過了焊后熱處理，淬火后再進(jìn)行低溫回火，發(fā)現(xiàn)3 個區(qū)域的顯微組織主要是由回火馬氏體組成。圖4（b）和（c）分別為光鏡和掃描電鏡下的母材區(qū)組織，主要是回火馬氏體組織。圖4（d）和（e）分別為光鏡和掃描電鏡下的熱影響區(qū)組織，與母材組織的差異較小。圖4（f）和（g）分別為光鏡和掃描電鏡下的焊縫區(qū)組織，焊縫區(qū)組織和母材區(qū)、熱影響區(qū)組織相似，主要由回火馬氏體組成。由掃描電鏡下的焊縫區(qū)的顯微組織形貌可知，與母材相比，焊縫區(qū)晶粒尺寸較大。

圖4 接頭各區(qū)域的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of each area of joint

2.2 接頭各區(qū)域的顯微硬度

圖5是30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接接頭各區(qū)域的顯微維氏硬度值。母材、熱影響和焊縫區(qū)的硬度平均值分別為510HV、501HV 和494HV。母材和熱影響區(qū)的硬度值差異較小。熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的硬度值起伏較大，其中熱影響區(qū)硬度最低為485HV，硬度最高為513HV，相差28HV；焊縫區(qū)硬度最低為478HV，最高為507HV，兩者相差29HV。

圖5 30CrMnSiNi2A 接頭各區(qū)域的顯微硬度值Fig.5 Microhardness values of each area of 30CrMnSiNi2A joint

2.3 接頭各區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

圖6是30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接頭的各區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK之間的關(guān)系曲線?？芍?，焊縫區(qū)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能稍弱于母材，接頭的熱影響區(qū)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能相對薄弱。尤其是當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度較大時(shí)，與其他區(qū)域相比，熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率較快。

圖6 接頭各區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN 與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK 之間的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of fatigue crack growth rate da/dN and stress intensity factor amplitude ΔK in each area of joint

采用Paris 公式對接頭各區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展速率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對母材區(qū)有

對焊縫區(qū)有

有文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)Paris 指數(shù)較大時(shí)，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率較快，抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能相對較弱[15]。對接頭各區(qū)域的Paris 系數(shù)和指數(shù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表3所示。母材和焊縫區(qū)的Paris 系數(shù)和指數(shù)差異較小，證明兩者的抗疲勞性能接近。而熱影響區(qū)的Paris 指數(shù)較大，抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能較為薄弱。

表3 接頭不同區(qū)域的Paris 公式參數(shù)匯總Table 3 Summary of Pairs formula parameters for different regions of joint

2.4 接頭各區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的斷口形貌

圖7、8 和9 分別為30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接接頭母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的斷口形貌。其主要由3 部分構(gòu)成，對應(yīng)疲勞斷裂的3 個階段，包括疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展和最后拉伸斷裂。在第1 階段，由圖7（b）、8（b）和9（b）可知，接頭各區(qū)域的疲勞斷口均呈現(xiàn)多源啟裂特征，且裂紋長度較短。許多研究指出，由于該階段的應(yīng)力強(qiáng)度因子較小，不足以引起裂紋尖端明顯的塑性變形，僅局限于單滑移系統(tǒng)，疲勞裂紋沿主滑移面向前擴(kuò)展，所以在裂紋萌生階段，裂紋的擴(kuò)展速率較慢且裂紋長度較小[16]。當(dāng)裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展，應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸變大，導(dǎo)致裂紋尖端的塑性區(qū)遠(yuǎn)大于晶粒尺寸時(shí)，出現(xiàn)了另一種疲勞裂紋擴(kuò)展模式，疲勞裂紋擴(kuò)展的宏觀路徑大體會垂直于拉伸載荷方向，這個階段稱為疲勞裂紋擴(kuò)展的第2 階段。這個階段的顯著特征是斷口中出現(xiàn)疲勞條紋，圖7（c）和（d）、8（c）和（d）和9（c）和（d）為接頭各區(qū)域疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和快速擴(kuò)展區(qū)域，都發(fā)現(xiàn)了疲勞條紋。研究指出，疲勞條紋是試樣每次循環(huán)載荷留下的痕跡[17–20]。當(dāng)處于循環(huán)拉應(yīng)力時(shí)，裂紋開始張開，反向加載的壓應(yīng)力會使裂紋失穩(wěn)，并在尖端形成凹槽，最后，在最大循環(huán)壓應(yīng)力作用下，形成了新的裂紋，但其長度已產(chǎn)生一個增量。如此循環(huán)，裂紋不斷向前擴(kuò)展。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界長度時(shí)，試樣會發(fā)生拉伸斷裂，由圖7（e）、8（e）和9（e）可知，接頭各區(qū)域最后拉伸斷裂區(qū)存在大量韌窩，為韌性斷裂。

圖7 30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接頭母材區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的斷口形貌Fig.7 BM fracture morphology of electron beam welded joint of 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel

圖8 30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接頭熱影響區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的斷口形貌Fig.8 HAZ fracture morphology of electron beam welded joint of 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel

圖9 30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接頭焊縫區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的斷口形貌Fig.9 WM fracture morphology of electron beam welded joint of 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel

3 結(jié)論

本文對26mm 厚30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，并觀察了接頭各區(qū)域的顯微組織，比較了接頭各區(qū)域的顯微硬度，分析了接頭各區(qū)域的疲勞斷口形貌，得到以下結(jié)論。

（1）接頭焊縫區(qū)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能與母材接近，接頭熱影響區(qū)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能較弱。

（2）接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)組織較為相似，均為回火馬氏體，但焊縫區(qū)晶粒尺寸較大。

（3）接頭各區(qū)域的顯微硬度值比較接近，但只比硬度最高的母材區(qū)低16HV。焊縫區(qū)平均顯微硬度相對較低，但只比母材區(qū)的平均顯微硬度值低16HV。

（4）接頭母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)疲勞斷口均呈現(xiàn)多源啟裂特征。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域均出現(xiàn)疲勞裂紋，拉伸斷裂區(qū)域均出現(xiàn)大量韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。