異種金屬焊接構(gòu)件腐蝕疲勞性能研究

郝雪龍 祿璐 張東暉 吳磊

(國家有色金屬及電子材料分析測試中心，國標(北京)檢驗認證有限公司，北京101407)

制造業(yè)對高性能結(jié)構(gòu)材料與復雜結(jié)構(gòu)件連接性能的需求不斷提升，既需要滿足基本的力學性能需求，也必須要滿足諸如耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、導熱導電性、長周期服役性能等多方面的性能和經(jīng)濟性要求。但在生產(chǎn)應用中，單一金屬材料往往無法達到整體復雜結(jié)構(gòu)件的性能和經(jīng)濟性需求[1-2]。因此，異種材料焊接的復合結(jié)構(gòu)日益受到人們的重視，并在交通運輸、航空航天、石油化工、工程機械、精密制造等行業(yè)中得到了廣泛的應用[3]。

異種金屬材料焊接件是指將不同種類合金通過焊接連接所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)件，能夠最大限度地綜合利用不同材料的特性，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)件的綜合性能超過單種金屬材料結(jié)構(gòu)的性能。它既可以滿足實際工程條件下對材料提出的特殊性能要求，又可以節(jié)約貴重金屬，實現(xiàn)經(jīng)濟利益的最大化。但是，相比于焊接同種材料，異種材料的焊接較為困難。這是因為異種材料本身的物理化學性能會對焊接性造成影響，并且異種材料性能上的差異會更加顯著地影響它們之間的焊接性。因此，如何保證異種焊接結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定安全地服役就成為廣大學者的重要研究方向。其中應力與腐蝕的交互作用能加速材料的損傷過程，應力腐蝕與腐蝕疲勞現(xiàn)象已經(jīng)成為石油化工、交通運輸、壓力容器中異種焊接接頭常見的破壞失效形式。研究異種金屬焊接接頭在應力與腐蝕環(huán)境的交互作用下的斷裂失效行為具有重要的工程應用價值。

SUS304不銹鋼屬于Fe-Cr-Ni系合金，是在含鉻量較高的不銹鋼中添加8%～25%的鎳而形成的具有奧氏體組織的不銹鋼，因其具有良好的抗腐蝕能力和力學性能[4]，大量運用在耐腐蝕、耐高溫、抵抗氧化的零部件和設(shè)備上。Q345B鋼作為低合金鋼，具有較高的強度和良好的塑性和韌性，焊接性好，綜合性能優(yōu)異，同時價格便宜，經(jīng)濟效益顯著，大量使用在要求強度高、承載大的工程結(jié)構(gòu)上[5]。對304不銹鋼與Q345B低合金鋼這兩種性能有所差異的鋼鐵材料焊接接頭開展研究，具有顯著的經(jīng)濟意義與工程應用意義。由于異種金屬間存在較大的物理化學性能等差異，焊接過程中容易形成脆性金屬間化合物，降低接頭的服役性能。因此，通過對異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)及腐蝕疲勞等性能進行研究，可以有效評價焊接結(jié)構(gòu)整體性能，為工藝改進提供科學可靠的數(shù)據(jù)支撐[6]。本研究開展了對異種金屬焊接件的腐蝕疲勞性能測試分析，為焊接結(jié)構(gòu)的腐蝕性能評價提供科學支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為6 mm厚的SUS 304不銹鋼和Q345B碳鋼，異種金屬焊接件如圖1所示。

圖1 異種金屬焊接件

在焊接時，使用MAG(135)焊接方法進行，焊材規(guī)格?1.2 mm，焊絲型號ER309L，焊接電流190～210 A，焊接電壓21～24 V，焊接速度340～400 mm/min，保護氣體98%Ar+2%O2，保護氣體流量10～15 L/min。

1.2 試驗方法

1.2.1 焊件的腐蝕疲勞性能檢測

試樣的腐蝕疲勞試驗參照GB/T 20120.1—2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗 第1部分：循環(huán)失效試驗》標準進行，腐蝕疲勞試樣具體試樣尺寸如圖2(a)所示。腐蝕環(huán)境加載系統(tǒng)如圖2(b)和2(c)所示，由腐蝕溶液循環(huán)系統(tǒng)和恒溫環(huán)境箱構(gòu)成，通過循環(huán)系統(tǒng)對腐蝕介質(zhì)加熱，并恒定在穩(wěn)定的溫度。

圖2 腐蝕疲勞環(huán)境加載裝置示意圖

1.2.2 檢測設(shè)備及條件

腐蝕疲勞試驗采用低周疲勞試驗機(電液伺服疲勞試驗機)，腐蝕疲勞試驗設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，腐蝕疲勞試驗條件按表2進行。疲勞試驗后采用掃描顯微鏡對腐蝕疲勞斷裂樣的斷口形貌進行觀察。

表1 電液伺服疲勞試驗機參數(shù)

表2 腐蝕疲勞試驗條件

1.2.3 檢測分析相關(guān)標準

檢測分析參照標準方法匯總，如表3所示。

表3 試驗標準匯總表

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕疲勞試驗結(jié)果分析

2.1.1 中值疲勞極限計算

采用升降法測定材料的腐蝕疲勞極限，試樣數(shù)量為15根，疲勞極限截止周次為1.0×106，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。第一根試樣的試驗應力水平略高于預計疲勞極限。根據(jù)上一根試驗結(jié)果(失效或通過)決定下一根試樣的試驗應力水平的降低或升高，直至完成全部試驗，對第一次出現(xiàn)相反結(jié)果以前的試驗數(shù)據(jù)，如在以后試驗數(shù)據(jù)的波動范圍內(nèi)則有效，升級應力水平為4級左右，根據(jù)以下公式計算出中值疲勞極限：

表4 試樣腐蝕疲勞試驗數(shù)據(jù)表

式中，n是有效試驗總次數(shù)；m是升降應力水平級數(shù)；σi是第i級應力水平；Vi是第i級應力水平下的試驗次數(shù)。

疲勞試驗的應力幅值分別為150 MPa、160 MPa、170 MPa、180 MPa、190 MPa、200 MPa、240 MPa和260 MPa。試驗初期，選取較大的應力加載260 MPa，試樣在腐蝕疲勞進行到14191周時在銷釘處斷裂，這可能是因為腐蝕疲勞加載過大導致。其余試樣腐蝕疲勞試驗數(shù)據(jù)如表4所示。對數(shù)據(jù)進行分析繪制了焊接件腐蝕疲勞極限趨勢圖，如圖3所示。由此可見，異種金屬焊接件試樣的腐蝕疲勞壽命隨最大應力變化的波動較大，波動范圍涵蓋了150～240 MPa，無明顯規(guī)律。

圖3 異種金屬焊接件腐蝕疲勞壽命升降圖

根據(jù)上述計算公式計算，在疲勞壽命為1.0×106周次下的中值腐蝕疲勞強度為172 MPa。

2.1.2 基于S-N曲線的疲勞極限評定

采用最小二乘法擬合的異種金屬焊接件在失效概率水平(P)為50%、置信度為95%時的S-N曲線如圖4所示。擬合的S-N曲線的直線方程如下所示：

圖4 異種金屬焊接件S-N曲線圖

lgσa=-0.21lgN+3.48

根據(jù)擬合的S-N曲線的直線方程測得106循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限為166 MPa。

2.2 斷口形貌分析

2.2.1 宏觀形貌

對腐蝕疲勞斷裂試樣進行觀察，如圖5和圖6所示。通過對比觀察腐蝕疲勞斷裂位置可知，大部分試樣的腐蝕疲勞的斷裂位置在靠近Q345B側(cè)的熱影響區(qū)，腐蝕斷口表面產(chǎn)生大量的紅銹。這是因為熱影響區(qū)強度較低，在疲勞加載的過程中容易首先產(chǎn)生疲勞裂紋，而Q345B在腐蝕溶液中電化學電位較低，容易被腐蝕，所以疲勞裂紋容易在Q345B側(cè)的熱影響區(qū)萌生并擴展，最終產(chǎn)生疲勞斷裂失效。圖7所示為未發(fā)生斷裂試樣圖，從圖中可以看出，腐蝕疲勞試驗試樣試樣表面布滿了紅銹，尤其是Q345B腐蝕嚴重。

圖5 異種金屬焊接件腐蝕疲勞斷裂試樣圖

圖6 異種金屬焊接件腐蝕疲勞斷裂截面情況

圖7 異種金屬焊接件腐蝕疲勞未斷裂試樣宏觀圖

通過異種金屬焊接件試樣的腐蝕疲勞壽命極限以及腐蝕疲勞數(shù)據(jù)可知，焊接件試樣腐蝕疲勞極限存在一定波動范圍，疲勞極限數(shù)值可能受到焊接過程中人為因素影響。

2.2.2 微觀形貌

圖8為焊接件腐蝕疲勞斷裂的試樣斷口形貌圖，該試樣加載載荷為190 MPa，循環(huán)周期為757908。從宏觀圖可以清晰看出，腐蝕疲勞裂紋起始于表面腐蝕坑，在疲勞加載的作用下腐蝕疲勞裂紋逐漸向試樣中間發(fā)展，可見疲勞條帶，如圖8(b)所示，圖8(d)為裂紋發(fā)生斷裂時產(chǎn)生的韌窩。

(a)宏觀斷口圖 (b)腐蝕疲勞擴展圖

3 結(jié)論

(1)通過對SUS 304與Q345B異種金屬焊接件進行腐蝕疲勞試驗測試，得到了腐蝕環(huán)境下的106周次下的腐蝕疲勞壽命極限載荷，中值疲勞極限計算結(jié)果顯示異種金屬焊接件的腐蝕疲勞極限載荷為172 MPa，還對異種金屬焊接件S-N曲線進行擬合，計算結(jié)果顯示疲勞極限為166 MPa，與中值計算結(jié)果相近，有效驗證了試驗結(jié)果。

(2)異種金屬焊接件試樣的焊接區(qū)腐蝕疲勞壽命較高，可以達到106周次的腐蝕疲勞極限值較高，但同時部分試樣疲勞極限值出現(xiàn)異常，推測原因可能是焊接過程中焊接工藝的不穩(wěn)定。

(3)腐蝕疲勞裂紋擴展源于表面腐蝕缺陷，腐蝕介質(zhì)進入到腐蝕裂紋中同時受疲勞載荷的作用加速了腐蝕疲勞的進行，斷口的腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域、條帶特征明顯，為典型的腐蝕疲勞斷裂。

(4)異種金屬焊接件腐蝕疲勞斷裂常發(fā)生在靠近焊縫的位置。