4003铁素体不锈钢MIG焊焊接接头红外疲劳裂纹扩展研究

卫朝阳,闫志峰,王钟楠,许泽清,周翠兰

(太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 030024)



4003铁素体不锈钢MIG焊焊接接头红外疲劳裂纹扩展研究

卫朝阳,闫志峰,王钟楠,许泽清,周翠兰

(太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 030024)

对4003铁素体不锈钢MIG焊(metal inert-gas welding)焊接接头的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。采用红外热像仪对焊接接头在疲劳循环载荷作用下的温度变化与应力强度因子变化进行了探究,使用扫描电镜观察了焊缝的疲劳裂纹扩展断裂特性。结果表明,焊缝裂纹扩展符合Paris公式,疲劳裂纹扩展过程可分为3个阶段:初始无温升阶段，裂纹呈低速率扩展，断口呈现出解理断裂的脆性特征;其次是温度快速上升阶段,裂纹呈稳定速率扩展,断口呈塑性特征;最后是试件失效后自然冷却阶段。研究证明,宏观温度能反映微观断裂机制的转变,故温度变化是深入研究裂纹扩展特征的一种有效手段。

铁素体不锈钢;红外热像法;MIG焊;疲劳裂纹扩展;断裂机理

4003铁素体不锈钢以其优良的力学性能及耐腐蚀性能而广泛应用于列车车体的制造材料[1]。目前对于4003铁素体不锈钢的研究主要集中在焊接及其接头的力学性能和腐蚀性能上。张尧[2]研究了焊接修复对4003铁素体不锈钢接头性能的影响,结果表明，焊接修复一次与二次对4003不锈钢的焊接接头的拉伸、弯曲、冲击等静载性能影响不大,但是多次焊接修复会造成其疲劳性能下降,因此应减少焊接热输入,采用小的线能量并严格控制道间温度。张昭晗[3]应用冷金属过渡焊、电子束焊、等离子焊、MIG焊(metal inert-gas welding)等不同的焊接方法对4003铁素体不锈钢焊接接头进行力学性能和耐腐蚀性能研究,表明MIG焊的焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能均较为优越。

国内外对焊接接头疲劳裂纹扩展性能的研究尚处于起步阶段。然而机车车体焊接结构多承受交变载荷的作用,疲劳断裂具有突发性,往往造成灾难性的事故,对生命财产会造成巨大损失。因此,对4003铁素体不锈钢焊接接头裂纹的扩展特征进行研究,可以减少灾难性事故的发生。

就裂纹扩展研究方法而言,描述裂纹扩展应用最为广泛的是Paris公式[4]。

(1)

式中：da/dN表示裂纹扩展速率，mm(a为裂纹长度，mm；N为疲劳循环次数);ΔK表示应力强度因子范围;C,m为材料相关的常数。由于材料的ΔK计算复杂,且不能实时反映材料的裂纹扩展状态,因此近年来,以温度变化来直观、实时地反映材料裂纹扩展状态的红外热像法研究材料的疲劳裂纹扩展性能成为热点[5-7]。本课题组前期利用红外热像法对4003铁素体不锈钢母材的疲劳裂纹扩展速率进行了研究[8],对其焊接接头进行疲劳裂纹扩展速率研究,该研究为4003铁素体不锈钢日后更加广泛的应用提供科研依据。

本文主要对4003铁素体不锈钢MIG焊焊接接头在高频载荷下疲劳裂纹扩展时的温度演化进行研究,建立温度变化与应力强度因子之间的关系,同时对其断裂机理进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

采用厚度为5 mm的4003铁素体不锈钢的板材作为试验材料,其化学成分如表1所示,其力学性能如表2所示。

1.2 焊接方法及接头组织

选取的焊接方法为MIG焊。焊接试验在AX-MV6自动焊接机器人上进行,焊机型号为OTC/DM500,焊接参数如表3所示。

表1 4003铁素体不锈钢化学成分组成(质量分数)

表2 4003铁素体不锈钢力学性能

表3 MIG焊接工艺参数

焊接接头的金相组织如图1所示。由图可以看出,母材(图1-a)组织为铁素体组织,焊缝(图1-b)为单一的奥氏体组织,HAZ(Heat affected zone,图1-c)的组织区域则较为复杂,有粗大的铁素体组织,同时出现了马氏体组织。

图1 4003铁素体不锈钢MIG焊接接头微观组织Fig.1 Microstructures of MIG welded joint for 4003 ferritic stainless steel

图2 4003铁素体不锈钢的焊接接头硬度试验结果Fig.2 Hardness test results of 4003 ferritic stainless steel MIG welded joint

利用HVS-1000A型显微硬度仪对焊接接头的硬度进行了测量,其结果如图2所示。

由图2可知,焊接接头硬度最大区域为HAZ,比母材和焊缝区的硬度要高，主要是因为HAZ区域在经历焊接热循环后产生马氏体相变,导致其硬度较高。焊缝和母材二者硬度相差不大。

1.3 试件加工及疲劳试验方法

为了进行裂纹扩展速率试验,将对接焊完后的板材在DK7735型线切割机上加工成标准的CT试件,其中缺口所对应的中线为焊缝中心。其尺寸示意图如图3所示。

图3 裂纹扩展CT试样尺寸示意图Fig.3 CT specimen dimensions for crack propagation

疲劳裂纹扩展试验在PLG-200D型高频疲劳拉压试验机上进行,循环特征系数R=0.1;疲劳频率为100 Hz。采用VarioCAM hr research红外热像仪进行温度测量,其像素参数为1 280×960;温度测量灵敏度在30 ℃时为0.08 ℃;空间分辨率是1.2 mrad;温度录制频率为25 Hz。整个裂纹扩展试验在室温空气中进行,试验时将红外热像仪放置于试样前的500 mm处。

在正式开始疲劳裂纹扩展试验之前,先进行疲劳裂纹预置,预置长度为2 mm，之后进行加载。共进行4组试验,其最大载荷依次为:7.9,9.1,9.7,12.1 kN。在裂纹扩展过程当中,每扩展1 mm,记录相应的裂纹长度a和疲劳循环次数N。

2 试验结果与讨论

2.1 裂纹扩展试验结果

4003铁素体不锈钢MIG焊焊接接头的裂纹扩展速率试验结果如图4所示。将所获得的数据按照递增多项式法处理,可获得焊缝的(da/dN)-ΔK曲线,其中,da/dN表示裂纹扩展速率,ΔK表示应力强度因子范围。

a-a-N;b-(da/dN)-ΔK图4 焊缝a-N和(da/dN)-ΔK关系曲线Fig.4 Curves of welded joint

ΔK是试验材料的形状、所承受载荷、裂纹长度等参数的综合反映,其良好的线性关系表明，使用ΔK来描述4003铁素体不锈钢焊接接头的疲劳裂纹扩展性能是可行的。由图4-b可知,(da/dN)-ΔK二者有着良好的线性关系,即符合Paris公式。

2.2 裂纹扩展红外温度试验结果及分析

图5为利用红外热像仪测得的裂纹扩展过程中试件表面的温度变化曲线。由图5可以看出焊缝裂纹扩展速率的温度演化可以分为3个阶段:初始无温升阶段、温度快速上升阶段、试件失效后自然冷却阶段。7.9 kN载荷下各个阶段的宏观红外热像图如图6所示。

图5 裂纹扩展过程中的温度演化曲线Fig.5 Temperature evolution curves during crack propagation

a-initial stage;b-rapid temperature increase stage;c-the highest temperature point;d-cooling stage after failure图6 宏观红外热像图Fig.6 Infrared thermograph

图6显示,一开始宏观热像图无法观察到裂纹尖端,整个试件温度一致(图6-a);之后,进入裂纹快速扩展阶段,可以清晰地观察到裂纹尖端光斑区域(图6-b)；随着裂纹的扩展,热源也跟着往前移动(图6-c)。根据对热像图的观测研究中可将移动热源简化为图7所示的模型,即:裂纹扩展过程中,仅在裂纹尖端的循环塑性区产热并造成试样温度升高。如图7所示,假设在循环塑性区中心存在一条沿着材料厚度方向的线热源,裂纹扩展速度为v,线热源在裂纹扩展时间t内向前移动vt,即这条移动线热源造成了试验过程中材料表面的温度变化。

图7 裂纹扩展移动热源模型示意图Fig.7 Schematic of moving heat source model for crack propagation

该线热源的产热量则由循环塑性区大小所决定,其产热量大小可表示如下[9]:

(2)

式中：q表示裂纹扩展单位长度时的能量耗散;f为加载频率;ξ为单次循环下裂纹扩展单位长度时的能量耗散;η为材料相关的常数;rc为裂纹尖端塑性区半径,在平面应力和平面应变条件下分别如下所示:

(3)

式中：ΔK为应力强度因子范围;σy表示材料的循环屈服应力。最终可获得其温差Δt[10-11]:

(4)

式中：k表示材料的热传导系数;λ表示材料的热导率;v表示裂纹扩展速率;x表示线热源移动的距离;r表示距离线热源的距离;K0为贝塞尔函数。当加载条件和材料确定的时候,可以看出,温度变化Δt为应力强度因子范围ΔK的函数。

本试验采用的板材较薄,厚度为5mm,因而所处状态为平面应力状态。初始时,裂纹尖端塑性区较小,转化的热量较小,造成温度没有明显变化。观察图5可知,除了载荷较大的12.1kN下的温度一开始就有增长之外,其他均有温度平稳的初始阶段。从第2阶段开始,温度快速上升并至较高温度,此时ΔK较大,根据公式(3)可知裂纹尖端塑性区较大,释放出较多能量,进而由公式(4)可得最终温度上升较多。最后,试验停止之后,温度自然下降到室温水平。由公式(4)可知,当加载条件确定时,温度变化Δt是应力强度因子范围变化ΔK的函数,即更加宏观的Δt可以用来描述抽象的ΔK的变化。二者变化关系如图8所示。

图8 焊缝裂纹扩展过程中的Δt-ΔK曲线Fig.8 Δt-ΔK curves during crack propagation

由图8所示,ΔK存在一个对应着温度开始上升的门槛值,将其定义为ΔKth,temp。各个试件的ΔKth,temp值相差不大,均为40 MPa·m1/2左右。之后,随着ΔK的增大,各个不同试件在ΔK值相同时其温度上升也十分接近。试验结果也验证了热源模型中的公式(4),即温度变化Δt是ΔK的函数，不论载荷大小,只要其在扩展过程中ΔK值一致,其温升值也接近相同。因此,Δt可以用来代替ΔK来描述裂纹扩展速率da/dN。而当ΔK小于ΔKth,temp,由公式(2)可知,由于此时裂纹尖端塑性区域较小,产热量十分小,进而没有明显的温度上升,此时的Δt并不能反映ΔK的变化。

2.3 断口分析

图9为裂纹扩展过程中不同阶段的断口照片,由图9可知,在裂纹扩展的初期,即ΔK较小的阶段,断口形貌呈现出解理断裂(图9-a)),结合温度演化曲线可以看出,此时几乎没有温度变化。在裂纹扩展的中后期,即ΔK较大的阶段,断口中可以观察到明显的疲劳条纹,表明塑性特征增强,同时断口可观察到二次裂纹,预示此时变形程度增大,结合温度变化可知,此时温度上升较为明显。

从微观角度来看,断裂机理是从脆性的解理断裂方式逐步变为塑性特征较为明显的断裂方式。断裂机理的变化可以证实疲劳裂纹扩展过程中温度的变化情况。

3 结论

1) 4003铁素体不锈钢MIG焊焊接接头的裂纹扩展速率符合Paris公式。

a-ΔK=30 MPa·m1/2;b-ΔK=70 MPa·m1/2图9 裂纹扩展不同阶段断口形貌Fig.9 Fractograph of fracture surface at different stages

2) 裂纹扩展过程中,试件表面温度变化经历以下3个阶段:初始无温升阶段、温度快速上升阶段、自然冷却阶段。

3) 建立了ΔK与Δt的关系,当ΔK的值大于ΔKth,temp,可以通过温度变化代替ΔK来描述裂纹扩展速率。

4) 断口形貌发现在低速率扩展阶段呈现出解理断裂特征,此时相对应的红外试验无明显温度变化;高裂纹扩展速率阶段呈现出疲劳条纹塑性特征,温度上升较快。

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(编辑：李文娟)

Research on Infrared Fatigue Crack Propagation Behavior of 4003 Ferritic Stainless Steel MIG Welded Joints

WEI Chaoyang,YAN Zhifeng,WANG Zhongnan,XU Zeqing,ZHOU Cuilan

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The purpose of this paper is to study the fatigue crack propagation behavior of 4003 ferritic stainless steel MIG welded joints. The temperature evolution during the process of fatigue crack propagation was studied by using an infrared camera, fatigue crack propagation fracture surface was studied by using a Scanning Electron Microscope. The test results show that Paris-law can be used to describe crack propagation, and 3 stages of crack propagation can be observed: initial temperature equilibrium stage, the crack propagation is relatively small and the fracture surface shows cleavage fracture; abrupt temperature increase stage, the crack propagation is located in stable stage and the fracture surface indicates ductile fracture; and natural cooling stage. The temperature variation can reflect the variation of fatigue fracture mechanisms, so the temperature variation is an effective index to study the crack propagation characteristics.

ferritic stainless steel;infrared thermography;MIG welding;fatigue crack propagation;fatigue fracture mechanisms

1007-9432(2016)03-0289-05

2016-02-24

国家自然科学基金资助项目:基于红外温度场特征的镁合金焊接接头疲劳断裂行为与评定理论研究(51175364);山西省自然科学基金资助项目:镁合金焊接接头红外疲劳断裂机理和疲劳极限方法研究(2013011014-3)

卫朝阳(1989-),男,山西运城人,硕士生,主要从事基于红外热像法的金属疲劳性能研究,(E-mail) chaoyang2018@163.com

周翠兰,高级工程师,主要从事金属的疲劳性能研究，(E-mail)hongxzhang@163.com

TG405

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.003