EH36钢焊接接头在超长寿命区间的疲劳性能

王 颖，宋宗贤，王东坡，邓彩艳，赵小辉，刘亚骄

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2. 天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072；3. 天津城市建设学院能源与安全工程学院，天津 300384)

EH36钢焊接接头在超长寿命区间的疲劳性能

王 颖1,2，宋宗贤1,2，王东坡1,2，邓彩艳1,2，赵小辉1,2，刘亚骄3

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2. 天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072；3. 天津城市建设学院能源与安全工程学院，天津 300384)

采用自行研制的TJU-HJ-I型超声疲劳试验装置对EH36钢无余高焊接接头在超长寿命区间的疲劳性能进行研究．试验结果表明：在107循环周次以后试件仍然会在焊接接头发生断裂，并且S-N曲线仍呈下降趋势，没有出现传统意义上的疲劳极限．尽管不存在余高，焊接接头表面不存在应力集中，但是大部分试件仍然在焊接接头处断裂．通过扫描电子显微镜分析断口可以观察到，裂纹源大部分处于表面机械加工微痕及次表面微观缺陷处．另外，焊接接头中缺陷引起的“鱼眼”与母材中的“鱼眼”并不完全相同，前者的鱼眼中不存在视觉黑暗区．

无余高焊接接头；超声疲劳试验；鱼眼

当今，焊接已成为机械制造工业中最主要的连接方法，然而焊接结构却不断发生断裂事故，其中80%～90%是疲劳失效[1-2]．EH36钢是常用的低合金高强船体结构用钢，广泛应用于船体、海上平台等海洋工程结构上．海洋结构在实际服役过程中受到的疲劳循环载荷会达到108周次，已经进入超长寿命区间．传统的观点认为在这一寿命区间内不会发生疲劳断裂，因为已经进入了一个无限寿命阶段[3-4]，然而实际焊接结构在经过108～1010甚至高于1010周次后发生疲劳断裂的事例时有发生．鉴于理论与事实之间存在矛盾，对超长寿命区间焊接接头疲劳性能的研究具有重大意义[5-6]．

笔者采用无余高的焊接接头进行疲劳试验，主要目的是在不考虑应力集中的情况下探讨焊接接头超长寿命区间的疲劳性能．

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

无余高焊接接头试样是从EH36钢平板对接焊接接头上截取的，焊缝位于试样中心．其中，焊接方法采用二氧化碳气体保护焊，焊丝采用SQJ 501．EH36钢的化学成分及力学性能见表1[7]和表2[7]．根据超声变幅杆原理[8]设计试件，试件的取样及尺寸如图1所示．

表1 EH36钢的化学组成(质量分数)Tab.1 Chemical composition of EH36 steel (mass fraction) %

表2 EH36钢的力学性能Tab.2 Mechanical properties of EH36 steel

图1 试样位置及尺寸Fig.1 Location and dimension of specimen

1.2 疲劳试验方法

试验前将试样打磨光滑，试验在自制的TJU-HJI型超声疲劳试验装置上进行．施加载荷为轴向拉-压对称循环载荷，应力比R=-1，频率约为20,kHz，在室温下进行，用循环水冷却的方式控制试件升温，试验装置如图2所示．

图2 超声疲劳试验设备Fig.2 Ultrasonic fatigue testing equipment

2 试验结果与分析

2.1 无余高焊接接头的S-N曲线

焊接接头超长寿命区间的应力-疲劳寿命曲线(S-N曲线)如图3所示．由图可知：曲线以m=14.3的斜率持续下降，由于试样的尺寸很小，中间平行段直径只有4.8,mm，且不同试样接头中所含缺陷的大小、种类以及分布不尽相同，使得超长寿命区间疲劳寿命差异较大，数据点比较分散．当循环周次为107时，应力范围为700,MPa；当循环周次为109时，应力范围为514,MPa，应力范围下降了27%，并且在109周次以后仍然呈现下降的趋势．尽管国际焊接学会疲劳规范中将疲劳极限由5×106循环周次提高到107循环周次，但对于在超长寿命区间服役的焊接构件按照此标准进行疲劳设计仍然是很危险的．

图3 无余高焊接接头的S-N曲线Fig.3 S-N curve of butt welds ground flush

2.2 断裂位置及断口形貌

在扫描电子显微镜下分析试样断口可以观察到断裂在接头处的断口凹凸不平，而断裂在母材的断口比较平整，如图4和图5所示．这是由于接头处的缺陷较多，含氢量较母材高(见图6[9])，组织不均匀，而母材的组织比较均匀，断面比较齐平．

图4 母材断口Fig.4 Fracture of base material

观察裂纹源可以发现，裂纹源大多处于表面的机械加工微痕(图7)和次表面的缺陷处．图8为次表面的圆形夹杂物及其能谱分析，其中含铝25.42%，氧27.11%，钙15.26%，表明此夹杂物为氧化物夹杂．图9为次表面的气孔，可以看出裂纹由气孔中心向四周逐渐扩展．

图5 无余高焊接接头断口Fig.5 Fracture of butt welds ground flush

图6 氢沿焊接接头横断面的分布Fig.6 Distribution of hydrogen along transverse of welding joint

图7 表面微痕引起的裂纹源Fig.7 Crack source on surface

试件断裂后用4%的硝酸酒精腐蚀观察断裂位置，发现大部分试件在靠近熔合线焊缝及热影响区处断裂，很少在焊缝中心断裂(如图10所示)．大部分断裂于熔合线附近的原因是因为焊接过程中不可避免地会有氢的引入，氢在焊接接头横截面上的分布特征如图6所示，本试验采用钛型焊材，曲线2表示了本试验接头氢的分布，可知在熔合线处含量最高．室温下氢会使钢的韧性下降，产生氢脆现象，并且此试样在此处存在夹杂物如图8所示，在载荷作用下会在此处存在应力集中，同时氢会向熔合线处夹杂物附近聚集，加速了裂纹的扩展．

图8 次表面圆形夹杂物及其能谱分析Fig.8 Circular inclusion on subsurface and energy spectrum analysis of inclusion

图9 次表面气孔Fig.9 Porosity on the subsurface

图10 断裂于接头的试件宏观照片Fig.10 Macrograph of fatigue failure position of flush welded joint

断裂的另一个原因是热影响区存在局部硬化现象．用MHV-2000型数显显微硬度计对焊接接头进行硬度测试(载荷为9.8,N，时间保持10,s)，结果如图11所示．从图11可以看出，硬度曲线具有一个突跃现象．结合焊接接头的金相组织(见图12)可知：硬度突跃区为靠近熔合线附近的熔合区和过热区．此区域晶粒粗大，造成组织硬化、脆化，使得该区域对缺陷更加敏感，只要此区域存在缺陷(如图8和图9所示)，裂纹源将优先在此处产生．

图11 焊接接头维氏硬度分布Fig.11 Vickers hardness value of welded joint

图12 焊接接头金相图Fig.12 Metallograph of welded joint

2.3 焊接接头缺陷形成的“鱼眼”

超长寿命区间的裂纹源周围具有“鱼眼”的特征．因此“鱼眼”的微观特征对于研究超高周疲劳裂纹源的萌生及扩展具有重要意义．在“鱼眼”内部的缺陷周围常常存在一个区域称视觉黑暗区(optical dark area，ODA)[10]，后来Sakai[11]等和Hong等[12]又提出了“鱼眼”的模型(见图13)．

在试验中，笔者发现气孔也可以形成所谓的“鱼眼”(见图9)，但并不存在ODA区，原因是焊接接头中的缺陷尺寸要比母材中大好多倍，并且缺陷处于次表面，在试件承载过程中会在缺陷处产生较大的应力集中，因此裂纹在经过很短的萌生时间即进入扩展阶段，造成ODA区消失，使得裂纹易在接头部位产生．试验中此试件断在焊缝也说明了这一点，如图10(b)所示．

图13 “鱼眼”模型示意Fig.13 Schematic diagram of“fish-eye”model

3 结 论

(1) 采用二氧化碳气体保护焊，EH36钢的对接无余高接头，超长寿命区间恒幅的S-N曲线以m= 14.3的斜率持续下降，到109周次以后并没有截止的趋势，没有出现传统意义上的疲劳极限．尽管国际焊接学会疲劳规范中将疲劳极限由5×106循环周次提高到107循环周次，但对于在超长寿命区间服役的焊接构件按照此标准进行疲劳设计仍然是很危险的．

(2) 超长寿命区间裂纹源主要处于表面机械加工微痕和次表面缺陷处．焊接接头的断口很不平整，母材处断口较平齐．靠近熔合线的过热区由于含氢量较高以及粗晶脆化，使得此处对缺陷更敏感．

(3) 由于焊接接头中的缺陷尺寸要比母材中大得多，裂纹萌生时间很短便开始扩展，造成“鱼眼”内部的ODA区消失，使得超长寿命区间焊接接头对微观缺陷比母材更敏感，因此对于在此区间服役的焊接结构，应对微观缺陷更加重视，尽可能选择较纯净的焊接方法．

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Super-Long Life Fatigue Properties of EH36 Steel Welded Joints

Wang Ying1,2，Song Zongxian1,2，Wang Dongpo1,2，Deng Caiyan1,2，Zhao Xiaohui1,2，Liu Yajiao3
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China)

The super-long life fatigue properties of EH36 steel butt welds ground flush were studied by the self-made TJU-HJ-I type ultrasonic fatigue test device. Fatigue test results show that fracture still occurs in the welded joint after 107cycles，and that the S-N curve descends continuously. There is no such fatigue limit as described by the traditional fatigue conception. Although welding residual height does not exist and stress concentration does not exist on welded joint surface，fracture still occurs in the joint. Scanning electron microscope(SEM)analysis shows that fatigue crack mostly initiates from machining micro mark and microstructure defects in subsurface. Besides，the “fish-eye”induced by the defects in welded joint is not all the same as that in the base steel. The optical dark area(ODA)does not exist in the former “fish-eye”.

butt welds ground flush；ultrasonic fatigue test；fish-eye

TG404

A

0493-2137(2013)05-0453-05

DOI 10.11784/tdxb20130512

2011-04-11；

2011-06-09.

国家自然科学基金资助项目(50805102)；中国博士后基金资助项目(20070420696)；教育部新世纪优秀人才基金资助项目(NCET-07-0601)．

王 颖（1981— ），女，博士，讲师，wangycl@tju.edu.cn.

邓彩艳，dengcy@tju.edu.cn.