高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究

高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究贾坤宁 ,王海东 ,姜秋月(长春工程学院 机电工程学院 ,吉林 长春130012 )摘要 :利用高频疲劳试验机对高强度桥梁钢焊接接头测定了应力比 R 0条件下的应力 2循环次数 ( S 2N )曲线 ,并对疲劳断口进行观察 ,系统分析疲劳裂纹的形成 、扩展以及瞬断过程 。结果表明 ,高强度桥梁钢焊接接头在 R 0 条件下的疲劳极限为 470 M Pa,稍低 于焊接接头的屈服强度 ,应力幅 与循环次数 N 的关系为 lgN = 3619 - 131743 8 lg; 在较高应力幅下的疲劳裂纹起源于试样表面的某种缺陷 ,在较低加载应力幅下的疲劳裂纹起源于大尺寸的夹杂物 ;疲劳扩展区断口微观形貌为疲劳辉纹和微坑 ,在微坑中可以观察到第二相粒子 ,局部区域可以观察到二次裂纹 ;瞬断区断口形貌具有典型的韧窝特征 。关键词 :高强度桥梁钢 ;焊接接头 ;疲劳性能 ;断口 ;应力 2循环次数 ( S 2N )中图分类号 : TG113文献标识码 : A文章编号 : 025426051( 2009) 04 20048 204Fa t igue perform an ce of we ld jo in t for h igh stren g th br idge stee lJ IA Kun2n ing, WAN G H a i2dong, J IAN G Q iu2yue( Co llege of E lec trica l and M echan ica l, Changchun In stitu te of Techno logy, Changchun J ilin 130012 , Ch ina)A b stra c t: The stre ss2cyc lic num be r ( S 2N ) cu rve unde r R 0 cond ition wa s m ea su red a t we ld jo in t of h igh strength b ridge stee l by h igh frequency fa tigue te st m ach ine1The fa tigue frac tu re wa s ob se rved, and the in itia tion grow th and in stan taneou s frac tu re of the fa tigue c rack we re ana lyzed1The re su lts show tha t the fa tigue lim its a t we ld jo in t of h igh strength b ridge stee l unde r R 0 cond ition s is 470 M Pa, wh ich issligh tly lowe r than the yie ld ing strength a t the we ld jo in t1The re la tion sh ip cu rve be tween cyc le tim e s and stre ss amp litude is“ lgN = 3619 -131743 8 lg”1The fa tigue c rack unde r h ighe r stre ss amp litude in itia te s from som e defec ts a t the su rface of the samp le, wh ile the fa tigue c rack unde r lowe r stre ss amp litude in itia te s from la rge size of inc lu sion s1The fa tigue stria tion, p it, second p a rtic le s in the p it and second c rack a tloca l a rea can been seen a t the fa tigue c rack grow th a rea. The frac tu re cha rac te ristic s a t in stan taneou s b reak a rea is typ ica l d imp le1Key word s: h igh strength b ridge stee l; we ld jo in t; fa tigue p e rfo rm ance; frac tu re; stre ss2cyc lic num be r ( S 2N )疲劳通常是指材料在受到变动载荷作用下的行为 1 。桥梁钢应用于公路和铁路桥梁 ,要长期在变动 载荷状态下工作 ,因而疲劳性能是其重要的考察指标 。 焊接是桥梁钢应用于桥梁的主要连接手段 ,因此对于 桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究具有实际意义 。从目前发表的文章看 ,仅有对普通强度级别的桥梁钢疲劳 性能的研究 ,而对 460 M Pa 高强度桥梁钢焊接接头疲 劳性能的研究却很少 。本文对 460 M Pa高强度桥梁钢焊 接 接 头 的 疲 劳 性 能 进 行 了 系 统 研 究 , 重 点 了 解460 M Pa高强度桥梁钢焊接接头 S 2N 曲线以及疲劳断 口各区域基本特征 。1 试验材料及方法111 试验材料试验钢为 Q460 q高强度桥梁钢 ,板厚 20 mm ,其主 要化学成分 (质量分数 , % )为 0112C、0140 Si、1150M n、010097 P、010085 S、01042N b、01184Mo、01012 Ti、4 10 - 5 N、余 量 Fe。力 学 性 能 R收稿日期 : 2008 210 210作者简介 :贾坤宁 ( 1978 ) ,女 ,吉林长春人 ,博士 ,讲师 ,主要从事金属 材料焊接性 研究 , 已 发 表 论 文 8 篇 。联 系 电 话 :, E2m a il:jiakunn ing780701 yahoo1cn= 480 M Pa、R =eLm655 M Pa、R /R = 0173、 = 21164 % 。原始 组织 如 图eL m1 所示 ,为贝氏体 、铁素体和少量珠光体 。率 A50为 4511 % , n 值为 0124。系统的开发与应用 J . 冶金自动化 , 2006 ( 1 ) : 30 233. 3 王义栋 ,王晓宇. 提高低碳铝镇静钢力学性能的研究 J . 鞍钢技 术 , 2003 ( 3 ) : 19 220. 4 于庆波 ,孙 莹 ,刘相华 ,等. 热轧后停留时间对带钢屈强比影响的 研究 J . 钢铁 , 2006 , 41 ( 1 ) : 66 270. 5 申荣法. 热轧带钢屈强比研究 A . 中国金属学会第一届青年学术 年会论文集 C . 北京 , 2002: 535 2538.参考文献 : 1 康永林. 现代汽车板的质量控制与成形性 M . 北京 : 冶金工业出 版社 , 1999: 3 24. 2 张中平 ,童 永 ,张殿华 ,等. 攀钢 1450mm 热连轧机层流冷却控制第 4期贾坤宁等 :高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究49差不大 。 S 2N 曲线如图 4所示 。表 1 Q460 q高强度桥梁钢焊接接头疲劳试验结果Ta b le 1 Fa t igue te st re su lts of h igh stren g th br idge stee l Q460q we ld jo in t序号 平均应力 m /M Pa 应力幅 a /M Pa 总应力 /M Pa 循环次数 N /次132021252284 0002320199519161 0003320186506432 00043201734931 321 000图 1 Q460q桥梁钢原始组织Fig11 O rigina l m ic ro struc tu re of b ridge steel Q460q53201604805 394 00063201524729 877 000 107 107 107112 试验方法1 ) 焊接试验7320150470焊接采用 CO2 气体保护自动对接8320147467焊 ,将桥梁钢板材加工成 V 型坡口 , 如图 2 所示 。焊接层间温度为 150250 ,单面分 3 层焊接 ,单面坡 口角度 为 2215 , 焊 接 电 流 270 350 A , 电 压 36 39 V ,焊速 911 mm / s。焊接材料采用 H08M n2 Si焊丝 。9320127447图 2 V 型坡口试样简图F ig12 V 2shap e we lded groove samp le2) 疲劳试验 疲劳试样尺寸如图 3 所示 2 23 。采 取 R 0时的正弦波拉 2拉疲劳试验 ,试验在平均应力 固定的前提下进行 ,每个试样的应力幅不同 ,振动频率 为 140 150 H z,以循环次数为 107 时所对应的总应力 为疲劳极限 。图 4循环次数与应力幅的关系F ig14R e la tion sh ip be tween cyc le num be r and stre ss amp litude对于 S 2N 曲线通常可以用如下形式的公式表达 :m N = C式中的 m 和 C 均为材料的常数 ,上式两边取对数得疲 劳曲线方程 :m lg + lgN = lgC通过回归得出 Q 460 q 桥梁钢焊接接头的疲劳曲 线方程为 :lgN = 3619 - 131743 8 lg212 疲劳断口图 3 疲劳试样简图F ig13 Ske tch of the fa tigue samp le1 ) 疲劳裂 纹 源在 较 高 应 力 幅 a = 186 M Pa、N = 432 000次条件下 ,试样由于表面缺陷引起的多个裂纹源 ,见图 5。从图 5中可以看出 ,其裂纹源处于试 样的表面然后呈扇形向四周扩散 ,裂纹源周围存在一 个扇形解理区 ,其断面平整 ,与裂纹源共同构成裂纹核心区 。进一步观察没有发现试样内部的裂纹源 ,在表 面的裂纹源处也未发现第二相粒子或夹杂物 。据此判 断 ,在较高应力幅下的疲劳裂纹起源于试样表面的某种缺陷 。2 试验结果与分析211 疲劳曲线方程由表 1所示的疲劳试验结果可见 , Q 460 q 高强度 桥梁钢焊接接头在基数为 107 条件下的疲劳极 限 为470 M Pa,这一数值接近材料的屈服极限 ,说明屈服强 度以下施加单向周期载荷时 ,疲劳强度与屈服强度相 50 第 34卷2) 裂纹扩展区当试样形成显微裂纹后 ,裂纹形核阶段结束 ,进入裂纹扩展阶段 。裂纹扩展阶段分为 两个阶段 。第一阶段沿着最大切应力的滑移平面与拉应力方向成 45 的方向发展 ,这时的裂纹在表面原有多处 ,但是大多数显微裂纹较早的就停止扩展 ,呈非扩 展裂纹 。只有少数几个可以延伸到 几 十微 米的 长 度 (约几个晶粒范围 ) 。当长度再增加 ,裂纹便转向和拉 应力方向相垂直 ,这便是裂纹扩展的第二阶段 。裂纹从第一阶段转到第二阶段的时间取决定于材料和应力 幅两个因素 。裂纹的第一阶段是由 切 应力 分量 控 制 的 ,而第二阶段则由应力控制 4 。图 7 为应力幅 a = 199 M Pa、N = 161 000次时的 疲劳裂纹扩展区 。由图 7 可见 ,疲劳裂纹扩展区分为两个阶段 。第一阶段扩展区断面微观形貌由众多大小 不一的凹坑构成 ,如图中 A 区所示 。在第二阶段内存 在与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹 ,疲劳辉纹是疲劳 裂纹扩展时形成的 ,第二阶段疲劳扩展区断口微观形 貌为疲劳辉纹和微坑 ,在微坑中可以观察到第二相粒子 ,局部区域可以观察到二次裂纹 。疲劳辉纹和二次 裂纹与疲劳裂纹扩展方向垂直 ,如图中 B 区所示 。图 5 疲劳试样表面裂纹源F ig15 C rack sou rce s in the fa tigue samp le su rface随着加载应力幅的降低 ,疲劳裂纹源由表面基体萌生迁移到内部的夹杂物 (或内部缺陷 ) 处萌生 。这 是由于在低应力幅下 ,夹杂物 (或内部缺陷 )与基体界 面应力集中起主导作用 。在应力作用下 ,钢中粗大夹 杂物周围容易造成应力集中 ,靠近夹杂物周围的区域经受三维应力作用 ,在连续的疲劳循环应力作用下 ,夹 杂物周围的组织薄弱区容易产生裂纹和微孔 ,疲劳裂 纹优先在此处萌生 。随着循环周次的进一步增加 ,微 裂纹连接 、扩展到一定临界尺寸 ,最终导致试样的疲劳 破坏 。图 6 为 在较 低加 载应 力 幅 a = 160 M Pa、N =5 394 000次时 的 疲 劳 裂 纹 源 及 其 能 谱 分 析 。由 图 6可以看出 ,其裂纹起源于大尺寸夹杂物 ,夹杂物的主要 成分为 Ca、A l和 O 元素 ,表明其为炼钢过程中典型的 夹杂物 。图 7 疲劳裂纹扩展区F ig17 P rofile of fa tigue c rack p rop aga ting a rea图 8分别为不同应力幅条件下疲劳断口第二阶段扩展区的形貌 。由图 8可见 ,断口的断面粗糙 ,裂纹在 不同的平面上扩展 ,扩展区断口形貌为小断裂平面和 凹坑组成 ,但仍可观察到断续分布的疲劳辉纹 ,但在裂 纹扩展后期 ,第二阶段扩展区断面逐渐趋于平整 ,疲劳 辉纹明显增多 ,辉纹间距增大 。3) 瞬断区疲劳裂纹扩展到一定程度以后 ,承受 力的断面缩小 ,应力增大 5 。图 9 分别为不同应力幅条件下疲劳裂纹瞬断区的断口形貌 。由图 9 可见 ,断 口形貌具有典型的韧窝特征 ,与静载拉伸时断口形貌 相同 ,这主要是由于材料常温条件下韧性较好 ,使其瞬断区的断口呈现出韧性断裂特征 。当应力大于材料的 屈服强度后产生大的宏观变形后迅速达到断裂强度引图 6 夹杂物疲劳裂纹源 ( a)及其能谱分析结果 ( b)F ig16 Inc lu sion in fa tigue c rack sou rce ( a)and its ene rgy sp ec trum ana lysis ( b)第 4期贾坤宁等 :高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究51起瞬时断裂 。图 8 不同应力幅条件下疲劳断口第二阶段扩展区的形貌F ig18 P rofile of the second c rack p rop aga ting a rea( a)a = 199 M Pa, N = 161 000; ( b)a = 173 M Pa, N = 1 321 000图 9 不同应力幅条件下疲劳裂纹瞬断区的断口形貌F ig19 App ea rance of fa tigue in stan t c rack unde r d iffe ren t stre ss amp litude s( a)a = 199 M Pa, N = 161 000; ( b)a = 173 M Pa, N = 1 321 0003 结论1 ) 高 强度 桥梁 钢在 R 0 时的 疲 劳极 限为 470M Pa。根据试验数据 ,应力幅与循环次数的关系为 lgN= 3619 - 131743 8 lg。2 ) 在较高应力幅下的疲劳裂纹起源于试样表面 的某种缺陷 ,在较低加