S355鋼T形接頭高周疲勞性能

程艷艷

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2.吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022)

0 前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市交通壓力逐漸增大，對出行工具提出了更高的要求。軌道客車具有快捷、方便和間隔時間短等優(yōu)點，對其需求日益增加，因此軌道客車產(chǎn)業(yè)愈加受到重視。重要裝置的焊接部位在車輛行駛中承受多個方向的動載荷[1-2]，這要求焊接母材具有良好的使用性能。目前S355鋼常用于軌道客車焊接構(gòu)件，其為一種低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的強度、塑性、韌性和抗疲勞強度[3-5]。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量影響軌道客車的安全性和可靠性，很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究[6-8]。許鴻吉等人[9-10]對S355鋼半自動氣體保護焊焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行了研究；嚴(yán)春妍等人[11]分析了激光-MIG復(fù)合焊的焊接接頭顯微組織、硬度分布規(guī)律，焊接過程溫度場和殘余應(yīng)力分布；趙軼磊等人[12-13]研究了MAG焊的焊接接頭組織和力學(xué)性能。

除了S355鋼焊接接頭的組織和性能，焊接接頭的疲勞性能也會對承載構(gòu)架質(zhì)量產(chǎn)生影響[14-15]，因此對焊接接頭進(jìn)行疲勞性能分析具有重要意義。文中以S355鋼MIG焊T形接頭為研究對象，分析焊接接頭的顯微組織和硬度，研究焊接接頭的高周疲勞性能，對斷口形貌進(jìn)行分析。該研究結(jié)果可對生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗方法

試驗選用厚度為14.5 mm的S355鋼板，化學(xué)成分見表1。采用MIG焊接方法，T形接頭，焊絲選用直徑1.2 mm的ER80S-G實心焊絲，化學(xué)成分見表2。

表1 S355鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 ER80S-G實心焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接時保護氣體為高純度氬氣，按照焊接工藝預(yù)熱，T形接頭的焊角尺寸按照EN15085—2007標(biāo)準(zhǔn)控制，表3為焊接工藝參數(shù)。

表3 焊接工藝參數(shù)

對全部試樣進(jìn)行著色探傷，檢驗合格后在焊件上切取T形接頭試樣，用砂紙研磨后在拋光機上拋光，采用4%硝酸酒精溶液對試樣進(jìn)行腐蝕，制成金相試樣，然后在MPC-400倒置金相顯微鏡上對試樣進(jìn)行觀察和分析。依據(jù)ENIS09015:2011標(biāo)準(zhǔn)使用HVS-1000型顯微硬度計對焊接接頭進(jìn)行硬度測試分析，測試點在a，b，c 3條線上，位置如圖1所示，其中a和c線上的測試點均在焊縫下2 mm內(nèi)。

圖1 T形接頭硬度測試位置示意圖

在INSTRON 880L疲勞試驗機進(jìn)行高周疲勞試驗，T形接頭疲勞試樣尺寸如圖2所示。疲勞試驗用應(yīng)力控制，正弦波加載，應(yīng)力比R=0.1，選用5個應(yīng)力范圍水平測試，使用JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口形貌進(jìn)行觀察。

圖2 疲勞試樣尺寸

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭組織和硬度分析

S355鋼MIG焊T形接頭分為打底層、填充層和蓋面層，以蓋面焊為例分析焊接接頭的顯微組織，圖3為S355鋼MIG焊T形接頭的顯微組織。從圖3a可以看出焊縫中分布有沿奧氏體晶界生長的塊狀和板條狀先共析鐵素體，鐵素體周圍析出珠光體，局部區(qū)域有少量小島狀復(fù)相組織的粒狀貝氏體，晶粒內(nèi)部有少量針狀鐵素體。圖3b為熔合區(qū)，顯微組織主要為先共析鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體。該區(qū)是焊縫和熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，焊接時局部金屬晶粒熔化，化學(xué)成分及組織不均勻，且晶粒大小不一致。圖3c為過熱區(qū)，晶粒較粗大且不均勻，顯微組織為鐵素體和珠光體，并分布有少量粒狀貝氏體。圖3d為正火區(qū)，顯微組織為細(xì)小均勻的塊狀鐵素體和珠光體。圖3e為母材區(qū)，該區(qū)域不受焊接熱循環(huán)影響，可以看到呈條帶狀垂直于軋制方向分布的珠光體和鐵素體。

焊接接頭的硬度分布如圖4所示，可以看出T形接頭中a，b，c 3條線上的硬度分布規(guī)律一致，熱影響區(qū)和焊縫的硬度均高于母材，最高硬度都出現(xiàn)在熱影響區(qū)。不同位置的硬度值均在允許范圍內(nèi)，符合焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)ENISO 15614—1:2017[16]的要求。

2.2 疲勞性能分析

在高于實際工作應(yīng)力下對S355鋼T形焊接接頭進(jìn)行高周疲勞試驗，試驗結(jié)果見表4。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 24176—2009對表4中的疲勞數(shù)據(jù)處理，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到S355鋼T形接頭的疲勞S-N曲線，如圖5所示，表達(dá)式為

圖5 S355鋼T形接頭S-N曲線

表4 S355鋼T形焊接接頭試樣的疲勞試驗結(jié)果

(1)

2.3 斷口形貌分析

通過疲勞斷裂試件，分析S355鋼T形焊接接頭疲勞斷裂情況，如圖6所示。可以看到不同應(yīng)力范圍疲勞試驗后，試件斷裂部位均在T形接頭端部的焊趾處。這是由于焊件為T形接頭，焊縫向母材金屬過渡處有明顯的截面變化，在疲勞試驗交變載荷作用下應(yīng)力集中系數(shù)比試樣其它位置高，且該處焊縫厚度較薄，有一定淬硬傾向，故容易在該處斷裂。

圖6 疲勞斷裂后的試件

S355鋼T形焊接接頭疲勞宏觀斷口形貌如圖7所示，疲勞斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，能夠看到明顯的疲勞弧線，具有疲勞斷裂的典型特征。疲勞裂紋通常起源于試樣表面、缺陷處或者應(yīng)力最大處，試驗中疲勞裂紋萌生在應(yīng)力集中的T形接頭端部焊趾處，在斷口上存在多處疲勞源。疲勞裂紋逐步向板厚方向擴展，形成表面光滑并伴有放射紋路的擴展區(qū)，占據(jù)斷面的大部分區(qū)域。瞬時斷裂區(qū)位于斷口兩側(cè)，表面較粗糙，在斷口邊緣有剪切唇。

圖7 S355鋼T形接頭疲勞斷口宏觀形貌

采用SEM對S355鋼T形接頭疲勞斷口進(jìn)行觀察，微觀形貌如圖8所示。疲勞裂紋萌生于焊趾處的尺寸較小的疏松處，該處的強度較弱，且應(yīng)力集中，放射紋向周圍擴展，如圖8a所示。圖8b為疲勞擴展區(qū)形貌，能夠看到疲勞條帶，多處產(chǎn)生了二次裂紋。圖8c為疲勞瞬斷區(qū)，可以看到許多大小不一的韌窩，且有朝一個方向的撕裂跡象。

圖8 S355鋼T形接頭疲勞斷口微觀形貌

3 結(jié)論

(1)S355鋼T形接頭的焊縫組織為先共析鐵素體、珠光體、粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體。熔合區(qū)和過熱區(qū)組織類似，正火區(qū)的晶粒較其它區(qū)域均勻細(xì)小。焊接接頭的硬度符合焊接工藝評定要求，其中熱影響區(qū)的硬度最高。

(3)在軸向高應(yīng)力作用下S355鋼T形接頭疲勞斷口存在多個疲勞源，萌生于兩側(cè)的端部焊趾疏松處；疲勞裂紋擴展區(qū)有疲勞條帶及二次裂紋；瞬斷區(qū)有大量韌窩，具有韌性斷裂的典型形貌。