消除應(yīng)力回火對30CrMnSiNi2A真空電子束焊接頭組織和力學(xué)性能的影響

陳素明，楊平，賀韡，張錳，王文博，張兵憲

(1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089；2.空軍裝備部駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710089)

0 前言

30CrMnSiNi2A合金鋼是一種性能優(yōu)良的航空航天結(jié)構(gòu)材料，主要用作飛機(jī)的起落架、平尾大軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及高壓連接件等重要結(jié)構(gòu)部件，焊接結(jié)構(gòu)是其應(yīng)用的主要形式之一[1-3]。但該鋼在焊接過程中易出現(xiàn)淬硬組織，從而造成焊縫硬度高、脆性大，對焊接冷裂紋較敏感[4-7]。一般在工程應(yīng)用當(dāng)中采取焊后立即高溫回火，以降低焊縫中的氫含量和焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力，從而避免產(chǎn)生裂紋。但是飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)組件常由幾個(gè)零件組成，需進(jìn)行多次焊接，每次焊后必須進(jìn)行高溫回火，多次回火是否影響焊接接頭的組織和性能，國內(nèi)文獻(xiàn)對此類論題鮮有研究。

文中針對30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼電子束焊接接頭試驗(yàn)件分別進(jìn)行一次消除應(yīng)力回火和三次消除應(yīng)力回火，來研究消應(yīng)力回火處理對零件組織和性能的影響，同時(shí)研究了焊接接頭疲勞性能與熱處理原材料疲勞性能的差異，對30CrMnSiNi2A真空電子束焊接工藝的實(shí)際生產(chǎn)操作起到了指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用料為15 mm厚30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼鍛件板材，成分符合GJB 1951A—2020《航空航天用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，熱處理狀態(tài)為正火+高溫回火。機(jī)械加工為300 mm×200 mm×7.5 mm和300 mm×200 mm×10.5 mm焊接試板，焊接試驗(yàn)的接頭形式為鎖底對接，如圖1所示。焊接設(shè)備為法國泰克米特GENVOA98型真空電子束焊機(jī)，試件焊接工藝參數(shù)見表1。

圖1 焊接試樣及接頭形式

表1 30CrMnSiNi2A試件焊接工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

為考察消除應(yīng)力回火對焊接接頭組織和性能的影響，對30CrMnSiNi2A焊接試驗(yàn)件在焊接后立即進(jìn)行消除應(yīng)力回火，試驗(yàn)組分為2組：一組為電子束焊+一次消除應(yīng)力回火+無損檢測+最終熱處理；另一組為電子束焊+連續(xù)三次消除應(yīng)力回火+無損檢測+最終熱處理，30CrMnSiNi2A原材料不經(jīng)過消應(yīng)力退火直接進(jìn)行最終熱處理作為對照組。消除應(yīng)力回火：660 ℃×70 min。最終熱處理：900 ℃×120 min淬火，水冷，180～230 ℃×60 min等溫。

力學(xué)性能試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試樣為板材試樣，厚度5 mm，焊縫在試樣長度中心位置，拉伸性能測試在AG2501CNE拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；疲勞試驗(yàn)按照GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》和HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)件尺寸如圖2所示。

圖2 疲勞試樣尺寸

高周疲勞試驗(yàn)的加載波形為正弦波，試驗(yàn)加載頻率f=100～150 Hz，應(yīng)力比R=0.06。采用成組法測定5個(gè)應(yīng)力水平下疲勞壽命，每級應(yīng)力水平下至少5個(gè)試樣。使用升降法測定1×107次循環(huán)對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，得到5個(gè)升降對，4級應(yīng)力水平左右。焊接接頭及母材金相組織觀察在LEICA DMI5000M金相顯微鏡上進(jìn)行；斷口掃描電鏡觀察試驗(yàn)參照GB/T 16594—2008《微米級長度的掃描電鏡測量方法通則》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。未焊接原材料、焊接后一次消應(yīng)力和三次消應(yīng)力回火拉伸性能相差不大，說明焊接后一次消應(yīng)力和三次消應(yīng)力均未降低材料的拉伸性能。同時(shí)，一次消應(yīng)力焊接件和三次消應(yīng)力焊接件拉伸試驗(yàn)均斷在非焊縫(母材)位置，如圖3所示，焊縫的拉伸性能高于母材。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 拉伸試驗(yàn)斷裂試樣

2.2 微觀組織分析

對原材料和焊接件進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖4～圖6所示。30CrMnSiNi2A金相組織主要為板條狀馬氏體，板條界線清晰，并可觀察到少量奧氏體[8]，如圖4所示。一次消應(yīng)力焊件金相組織中未觀察到焊縫和非焊縫區(qū)(母材)的明顯界線，對比圖4和圖5b，非焊縫區(qū)金相組織與原材料試樣金相組織相近，說明一次消應(yīng)力未對非焊縫區(qū)(母材)產(chǎn)生較大影響。對比圖5a和圖5b，焊縫區(qū)主體為板條狀馬氏體，但相比非焊縫區(qū)，產(chǎn)生更多奧氏體。圖6中，三次消應(yīng)力焊件金相組織中，焊縫和非焊縫馬氏體較難分辨，判斷為三次消應(yīng)力過程中馬氏體出現(xiàn)相變。對比圖5a和圖6a，三次消應(yīng)力焊件相比一次消應(yīng)力焊接件焊縫處馬氏體形貌產(chǎn)生一定差異，單個(gè)板條馬氏體組織變粗大，同時(shí)板條馬氏體數(shù)量減少。這是由于回火處理使得材料轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，多次回火過程，發(fā)生滲碳體的球化和聚集長大，使得組織中元素偏聚嚴(yán)重，同時(shí)α相發(fā)生再結(jié)晶和晶粒粗化。最終熱處理過程奧氏體化時(shí)間較短，元素偏析無法恢復(fù)，等溫淬火后得到粗大的板條狀馬氏體組織及少量片狀馬氏體組織。

圖4 原材料金相組織

圖5 一次消應(yīng)力金相組織圖

圖6 三次消應(yīng)力金相組織圖

2.3 疲勞性能分析

母材、一次消除應(yīng)力回火接頭和三次消除應(yīng)力回火接頭疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果對比如圖7所示。由圖7可以看出，在高應(yīng)力區(qū)，疲勞壽命在3×104～3×105，母材、一次消除應(yīng)力回火接頭和三次消除應(yīng)力回火接頭疲勞性能相差不大；在低應(yīng)力疲勞極限區(qū)，疲勞壽命在3×105～1×107，母材、一次消除應(yīng)力回火接頭和三次消除應(yīng)力回火接頭疲勞性能相差明顯，相比母材的疲勞極限，一次消除應(yīng)力回火接頭疲勞極限降低了11%，三次消除應(yīng)力回火接頭疲勞極限降低了18%；相比一次消除應(yīng)力回火的疲勞極限，三次消除應(yīng)力回火疲勞極限降低8%。

圖7 疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2.4 疲勞斷口分析

疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，挑選母材典型斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。母材疲勞斷口掃描電鏡觀察照片如圖8所示，包含裂紋源位置、裂紋源區(qū)細(xì)節(jié)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。母材裂紋萌生位置主要為角部，裂紋源附近可以觀察到裂紋擴(kuò)展區(qū)，呈放射狀擴(kuò)散，可以觀察到疲勞條帶及二次裂紋。瞬斷區(qū)可以觀察到韌窩，為典型韌性斷裂形貌。

圖8 母材典型疲勞斷口

挑選一次消除應(yīng)力回火接頭的典型斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。一次消除應(yīng)力回火接頭疲勞斷口掃描電鏡照片如圖9所示。一次消除應(yīng)力回火接頭裂紋萌生位置主要為焊縫氣孔處及角部，氣孔為規(guī)則圓形。且氣孔尺寸主要集中在50～60 μm。裂紋源附近可以觀察到裂紋擴(kuò)展區(qū)，呈放射狀擴(kuò)散，可以觀察到疲勞條帶及二次裂紋。瞬斷區(qū)可以觀察到韌窩，為典型韌性斷裂形貌。

圖9 一次消除應(yīng)力回火接頭典型疲勞斷口

挑選三次消除應(yīng)力回火接頭的典型斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。三次消除應(yīng)力回火接頭疲勞斷口掃描電鏡觀察照片如圖10所示。三次消除應(yīng)力回火接頭裂紋萌生位置主要為焊縫氣孔處以及角部，氣孔為規(guī)則圓形。且氣孔尺寸主要集中在40～60 μm。裂紋源附近可以觀察到裂紋擴(kuò)展區(qū)，呈放射狀擴(kuò)散，可以觀察到疲勞條帶及二次裂紋。瞬斷區(qū)可以觀察到韌窩，為典型韌性斷裂形貌。

圖10 三次消除應(yīng)力回火接頭典型疲勞斷口

從斷口形貌看，焊縫區(qū)氣孔對疲勞壽命的影響較明顯，導(dǎo)致一次、三次消除應(yīng)力疲勞極限較原材料有明顯下降，但在高應(yīng)力區(qū)差距較小。低應(yīng)力水平下，試驗(yàn)載荷不能引起材料的塑性變形，而微小氣孔的存在造成局部應(yīng)力集中，在微觀水平上影響應(yīng)力分布，有助于裂紋形核，特別是對于超高強(qiáng)度材料，缺陷敏感性更高，氣孔缺陷對疲勞極限的影響顯著。而在高應(yīng)力水平下，試驗(yàn)載荷足以使材料產(chǎn)生塑性變形，氣孔對疲勞性能的影響降低，在氣孔處形成裂紋源的概率減小。

3 結(jié)論

(1)原材料經(jīng)過焊接與多次消除應(yīng)力回火，其拉伸性能無顯著變化，焊縫強(qiáng)度要高于母材。

(2)材料的疲勞性能產(chǎn)生了一定的降低，回火次數(shù)增多，材料的疲勞極限降低顯著。

(3)焊縫區(qū)氣孔對疲勞壽命的影響較明顯，導(dǎo)致一次、三次消除應(yīng)力疲勞極限較原材料有明顯下降，但在高應(yīng)力區(qū)差距較小。

(4)金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，三次消除應(yīng)力及等溫淬火后得到粗大的板條狀馬氏體組織及少量片狀馬氏體組織。片狀馬氏體組織的產(chǎn)生導(dǎo)致材料中產(chǎn)生一定的顯微裂紋，在疲勞加載中容易擴(kuò)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致疲勞壽命相較一次消應(yīng)力回火明顯下降。