工程機(jī)械用鋼Q345FCA對接焊縫的高周疲勞性能

李 明 弓 碩

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083）

工程機(jī)械廣泛應(yīng)用于建筑、礦山、港口、農(nóng)田、水利、道路和國防等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展具有重要意義[1-3]。挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)等大型工程機(jī)械的使用環(huán)境惡劣，負(fù)荷重且復(fù)雜，經(jīng)常受到?jīng)_擊與碰撞。從工程機(jī)械整體的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，當(dāng)前工程機(jī)械用鋼板的抗拉強(qiáng)度仍以400～500 MPa級別為主，這是由于屈服強(qiáng)度235～355 MPa級別的鋼板具有優(yōu)良的成形性、焊接性，焊前無需預(yù)熱，熱輸入大，焊后也無需熱處理，焊接接頭具有良好的塑性和沖擊韌性。在實(shí)際工程中，80% 以上的機(jī)械設(shè)備失效是由疲勞引起的。疲勞破壞預(yù)見性較低，突然發(fā)生設(shè)備失效極易造成較大安全事故，因此對工程機(jī)械用鋼板疲勞性能的研究非常必要。

在工程機(jī)械制造中，焊接是最主要的制造工藝[4-5]。對接焊縫常見于裝載機(jī)、挖掘機(jī)等動(dòng)臂結(jié)構(gòu)件中，焊接質(zhì)量對機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞使用壽命有一定影響。目前對鋼材疲勞壽命的研究多集中于橋梁、壓力容器、化工、交通等領(lǐng)域[6-10]，且多為對鋼材本體的研究，關(guān)于鋼材焊接接頭高周疲勞性能的研究較少。因此本文以工程機(jī)械用鋼Q345FCA為研究對象，對其對接焊縫結(jié)構(gòu)的高周疲勞壽命進(jìn)行評估，研究焊接疲勞裂紋萌生的微觀機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為18 mm厚的熱軋態(tài)Q345FCA鋼板，其生產(chǎn)工藝為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→真空處理→連鑄→板坯加熱→軋制→冷床冷卻。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2[11]所示，母材疲勞強(qiáng)度為273 MPa[3]。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the tested steel（mass fraction） %

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能[11]Table 2 Mechanical properties of the tested steel[11]

焊接試板尺寸為500 mm×200 mm×18 mm，其長度方向平行于鋼板軋制方向，沿試板長度方向開V型坡口，如圖1所示。氣保焊（gas metal arc welding，GMAW）采用大西洋牌φ1.2 mm的CHW-50C6焊絲，保護(hù)氣體為CO2，氣體流量為15～20 mL/min。熔敷金屬的化學(xué)成分和焊接參數(shù)分別如表3和表4所示。

圖1 焊接坡口示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding groove

表3 CHW-50C6熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Chemical composition of CHW-50C6 deposited metal（mass fraction） %

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameters

垂直于焊縫方向取樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4% 的硝酸酒精溶液侵蝕，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。

焊接試樣的拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)分別在BPC-F1600EN型材料試驗(yàn)機(jī)、RKP450型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、YJW-50型彎曲試驗(yàn)機(jī)、KB30S型維氏硬度計(jì)上進(jìn)行。

根據(jù)GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試樣表面光潔，尺寸如圖2所示。采用QBWP-6000J型簡支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，在室溫下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為4 200 r/min，試驗(yàn)結(jié)束的判斷依據(jù)為試樣斷裂或經(jīng)歷107次循環(huán)后未破壞。先通過升降法得到在給定疲勞壽命（循環(huán)周次為107）下對疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，然后通過成組法對高應(yīng)力條件下疲勞壽命的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，確定有限疲勞壽命范圍的S-N曲線的斜線部分；最后，結(jié)合兩部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出完整的S-N曲線。試樣斷裂后，從斷口部位取樣，然后在掃描電子顯微鏡下觀察疲勞源位置，分析疲勞斷裂原因。

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣尺寸Fig.2 Dimension of the rotating bending fatigue specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

Q345FCA鋼焊接接頭和母材的微觀組織如圖3所示?？梢钥吹胶缚p區(qū)原奧晶界分布著少量塊狀鐵素體，原奧氏體晶內(nèi)析出了細(xì)小無序的針狀鐵素體。通常混晶區(qū)性能不均勻，但試驗(yàn)鋼混晶區(qū)的晶粒并未異常長大。母材組織為鐵素體和珠光體，呈帶狀。

圖3 Q345FCA鋼對焊接頭和母材的微觀組織Fig.3 Microstructures of the butt-welded joint and the base metal for Q345FCA steel

2.2 力學(xué)性能

Q345FCA鋼對焊接頭的力學(xué)性能和硬度分別如表5和表6所示。結(jié)合焊縫區(qū)顯微組織，從表4可以看出，Q345FCA鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度（530 MPa）高于母材（488 MPa），焊縫和熱影響區(qū)的硬度也高于母材，說明焊接提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和硬度。這是由于焊縫區(qū)針狀鐵素體的強(qiáng)度和硬度均高于母材（鐵素體＋珠光體）。此外，熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)過多異常組織，混晶區(qū)范圍較窄，對性能的影響較小，所以焊接接頭的力學(xué)性能整體優(yōu)于母材。

表5 Q345FCA鋼對焊接頭的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the butt-welded joint of Q345FCA steel

表6 Q345FCA鋼對焊接頭的硬度Table 6 Hardness of the butt-welded joint of Q345FCA steel HV10

2.3 高周疲勞性能

根據(jù)試驗(yàn)鋼高周疲勞強(qiáng)度（273 MPa）[3]的3%～5% 估算應(yīng)力臺(tái)階，取值10 MPa。通過升降法和成組法得到試驗(yàn)鋼的疲勞壽命數(shù)據(jù)如表7所示，高周疲勞試驗(yàn)升降圖如圖4所示。

表7 對接焊縫的疲勞數(shù)據(jù)Table 7 Fatigue data of the butt welds 周次

圖4 高周疲勞試驗(yàn)升降圖Fig.4 Staircase chart for high cycle fatigue test

使用文獻(xiàn)[12]推薦的50% 概率的平均法對升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。50% 概率的平均法按下述方法估算參數(shù)：

式中：n為升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)對子數(shù)；SLi為各對子應(yīng)力的平均值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)，疲勞極限定義為指定循環(huán)基數(shù)N下的中值（50% 存活率）疲勞強(qiáng)度。

計(jì)算得出對接焊縫的疲勞強(qiáng)度為260 MPa，較母材降低了13 MPa。對焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于母材，但疲勞強(qiáng)度卻低于母材。一般碳鋼和合金鋼的疲勞強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的一半，疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度的提高而提高。本文Q345FCA鋼對焊接頭的抗拉強(qiáng)度高于母材，但疲勞強(qiáng)度卻未隨著抗拉強(qiáng)度的提高而提高。說明在焊接過程中，提高力學(xué)性能對疲勞強(qiáng)度的提升作用有限。

按照國標(biāo)推薦的估計(jì)方法對成組法數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

表8 Q345FCA鋼對焊接頭的S-N曲線參數(shù)Table 8 Parameters of S-N curve of the butt-weld joint of Q345FCA steel

圖5 Q345FCA鋼對焊接頭的S-N曲線Fig.5 S-N curve of the butt-weld joint of Q345FCA steel

從圖5可以看出，Q345FCA鋼對焊接頭在不同循環(huán)應(yīng)力下的疲勞壽命較為分散。當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于107時(shí)，S-N曲線為一條直線，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)的水平段。與之前研究的[3]母材的S-N曲線對比可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)應(yīng)力高于母材疲勞強(qiáng)度時(shí)，對焊接頭的疲勞壽命高于母材，應(yīng)力低于母材疲勞強(qiáng)度時(shí)，對焊接頭的疲勞壽命低于母材。

2.4 疲勞斷口形貌

Q345FCA鋼對焊接頭的典型疲勞斷口形貌如圖6所示，疲勞源主要有孔洞缺陷和試樣表面兩種類型。表8列出了斷口長度、距焊縫中心的距離及疲勞源類型。可以看出，當(dāng)疲勞源為孔洞缺陷時(shí)，試樣斷于焊縫；疲勞源為試樣表面時(shí)，試樣斷于對焊接頭的母材?？锥纯赡転楹附訒r(shí)產(chǎn)生的未及時(shí)逸出氣體的氣孔。

圖6 Q345FCA鋼對焊接頭的典型疲勞斷口Fig.6 Typical fatigue fractures of the butt-welded joints of Q345FCA steel

表8 Q345FCA鋼對焊接頭的疲勞斷口特征Table 8 Fatigue facture characteristics of the butt-welded joint of Q345FCA steel

從圖5可以看出，當(dāng)應(yīng)力低于母材疲勞強(qiáng)度時(shí)，只有焊接缺陷型的疲勞斷裂（圖6（a，b））和失效試樣；當(dāng)應(yīng)力高于母材疲勞強(qiáng)度時(shí)，焊縫疲勞源有兩種類型（圖6（c，d））。從圖6可以看出，焊接缺陷主要為表面或次表面的氣孔，氣孔的尺寸有數(shù)百微米。裂紋以氣孔為中心向四周擴(kuò)散。對比340 MPa應(yīng)力下兩種類型疲勞源試樣的疲勞壽命發(fā)現(xiàn)（圖6（c，d）），焊接缺陷型疲勞源試樣的疲勞壽命遠(yuǎn)低于表面型疲勞源試樣的疲勞壽命。此外，由于低應(yīng)力下試樣疲勞源大多為焊接缺陷，其S-N曲線幾乎不存在平行段。

Q345FCA鋼冶煉時(shí)采用強(qiáng)弱結(jié)合的靜攪工藝，鋼中夾雜物數(shù)量大大減少，疲勞源均位于試樣表面。但對接焊縫由于氣孔等焊接缺陷的增多，疲勞源更加復(fù)雜，疲勞壽命分散性也較大。與母材的S-N曲線相比，在相同應(yīng)力下，當(dāng)疲勞源在表面時(shí)，對接焊縫的疲勞壽命相比母材明顯提高。而當(dāng)疲勞源為焊接缺陷時(shí)，對接焊縫的疲勞壽命隨機(jī)性增長，與母材疲勞壽命相當(dāng)或低于母材。焊縫組織主要為針狀鐵素體，相較于母材鐵素體和珠光體組織，其強(qiáng)度和硬度較高；熱影響區(qū)硬度也高于母材，從而導(dǎo)致在沒有焊接缺陷時(shí)，試樣的疲勞源均位于較軟的母材表面，焊件強(qiáng)度的提高使該部位的疲勞壽命提高。存在焊接缺陷時(shí)，由于氣孔的尺寸較大，氣孔附近的應(yīng)力集中更加明顯，從而導(dǎo)致裂紋在氣孔附近萌生，疲勞壽命顯著降低。

3 結(jié)論

（1）Q345FCA鋼對接焊縫的疲勞強(qiáng)度為260 MPa，S-N 曲線為lg N ＝12.583 2－0.021 3S；當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于107時(shí)，S-N曲線幾乎不存在水平段。

（2）對接焊縫的疲勞源主要有孔洞缺陷和試樣表面兩種類型；孔洞缺陷主要為焊接時(shí)未及時(shí)逸出的氣體所產(chǎn)生的氣孔。試樣表面疲勞源均位于母材。

（3）存在焊接缺陷時(shí)，焊件的疲勞壽命急劇降低，因此保證焊件的焊接質(zhì)量是提高疲勞壽命的關(guān)鍵。