（材料加工工程专业论文）16mnr焊接接头显微结构硬度和扭转疲劳特性研究.pdf

摘要 本文对车辆焊接转向架用1 6 m n r 钢的焊接接头进行了一系列试验，针对焊接 接头的不同区域( 焊缝区、热影响区和母材) ，对其各个区域分别取出试件，对 其低周疲劳性能进行对比的研究，并对相应区域进行显微组织、硬度的观察和测 定，并最后分析相应区域的组织对低周疲劳性能的影响。 试验结果表明：在焊缝厚度方向上，差别不大，中间部分在稳定阶段相应的 应力幅值稍低，第一行的较高，而热影响区的相对的应力幅值在在相同列上比较， 比其他区域的应力幅值要高一些，而对于热影响区金属本身，越靠近底部，稳定 阶段的应力幅值越低。总体看来，第一行的金属在稳定阶段的应力幅值偏高，并 且其寿命普遍相对较短。 在焊缝的横向上，焊缝和母材的硬度相差不大，热影响区的硬度明显比焊缝 和母材的硬度要大，而且呈现梯度分布，靠近焊缝的部分硬度值最高。热影响区 在稳定阶段的应力幅值都明显高于其他两个区域，从而导致其容易发生疲劳失 效。热影响区在稳定阶段的应力幅值都明显高于其他两个区域，从而导致其容易 发生疲劳。寿命长短的排序依次是：母材金属 焊缝金属 热影响区金属。 1 6 m n r 焊接接头在组织、硬度和疲劳性能上的不均匀性存在一定的对应关 系：对于组织的形态较好、分布均匀，晶粒尺寸更为细小的区域，比如焊缝的第 二行、第三行，会拥有相对较高的硬度和较长的疲劳寿命。 关键词：1 6 m n r 焊接接头；显微组织；扭转疲劳 a b s t r a c t m a n yr e s e a r c h e sf o c u so nt h ew e l d e db o g i e ，h o w e v e r , f e wa c h i e v e m e n t s o n f a t i g u eb e h a v i o r so ft h ew e l d e db o g i eh a v eb e e no b t a i n e d i nt h i ss t u d y , as e r i e so f e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h ew e l d e dj o i n tm a d eb y16 m n rs t e e lw h i c hi s r e p r e s e n t a t i v ef o rt h ew e l d e db o g i e t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dh a r d n e s so fd i f f e r e n t z o n e s ( w e l d i n gl i n e ，h e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) a n db a s em e t a l ) o ft h ej o i n tw e r e m e a s u r e db ym e t a l l o s c o p ea n dv i c k e r si n d e n t a t i o nt e s t e r , r e s p e c t i v e l y b e s i d e s ，t h e b e h a v i o r so ft h el o w c y c l ef a t i g u ei nd i f f e r e n tz o n e so ft h ew e l d i n gj o i n tw e r e c o m p a r e da n dt h ei n f l u e n c e so ft h er e l e v a n tm i c r o s t r u c t u r e so ni t w e r es t u d i e da s w e l l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o l u m n a rg r a i ns t r u c t u r ee x i s t e di nt h em a pp a s so ft h e i o i n t ，a n dt h eh o r i z o n t a lm i c r o s t r u c t u r e sw e r es i m i l a rb u tt h es i z e st u r n e ds m a l l e r ； w h i l ep r o e u t e c t o i df e r r i t e s ，as m a l la m o u n tp e a r l i t e sa n ds e v e r a lc a r b i d e se q u i a x e d l y d i s t r i b u t e di nf i l l e rp a s s e s ，w h e r et h eg r a i n sl o o k e dh o m o g e n e o u sa n df i n e t h e m i c r o s t r u c t u r e si nr e l e v a n th a zw e r ec o m p o s i t e ，m a i n l ya c i c u l a rf e r r i t e s ，f i n e p r o - e u t e c t o i df e r r i t e sa n d af e wp e a r l i t e s t h eh a r d n e s so fw i e l d i n gl i n ea n db a s em e t a lw e r es i m i l a r h o w e v e r , t h e h a r d n e s so fh a zw e r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h o s eo fw i e l d i n gl i n ea n db a s em e t a l a n dp r e s e n t e dag r a d i e n td i s t r i b u t i o nw i t ht h eh i g h e s tv a l u en e a rw e l d i n gl i n e t h e s h e a rm o d u l u sa n ds t r e s sa m p l i t u d ei nh a zw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s ei n t h eo t h e rt w oa r e a sa sw e l l ，m a k i n gi te a s i e rt og e tf a t i g u e o nt h ew h o l e ，t h e r ee x i s t e ds e v e r a lr e l a t i o n s h i p sa m o n gi n h o m o g e n e i t i e so f m i c r o s t r u c t u r e s ，h a r d n e s sa n df a t i g u eb e h a v i o r so f16 m n rs t e e lj o i n t t h ea r e a sw i t h b e t t e rm i c r o s t r u c t u r e sa n dh o m o g e n e o u sa n df i n eg r a i n s ，s u c ha st h es e c o n da n dt h i r d l i n e so fw i e l d ，h e l dr e l a t i v e l yh i g h e rh a r d n e s sa n dl o n g e rf a t i g u el i v e s k e yw o r d s ：1 6 m n r w e l d i n gj o i n t ，m i c r o s t r u c t u r e ，l o w c y c l ef a t i g u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名、影匆衿 签字日期：枷g 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、罗l 谤坞 导师签名： 原痧 签字日期：沙2 年月日 签字日期：v 纺年歹月多日 第一章文献综述 第一章文献综述 材料的疲劳断裂由于其突发性，危害相当大。据资料统计【，在各类构件破 坏中有8 0 9 0 是疲劳断裂。因此，疲劳断裂的研究一直受到材料工作者的极大 关注，并已成为材料强度研究的重要领域。 1 1 转向架简介 2 0 世纪六、七十年代，世界上各经济发达国家和一些发展中国家就开始致 力于高速铁路的发展。如法国的t g v 、德国的i c e 和日本的新干线等都是典型 的代表。安全、高速、舒适的理念渐入人心，成为人们出行的标准。近四十年的 运营证明，上述高速铁路带来了巨大的经济效益和社会效益，缩短了地区与地区 间的运行时间，大大提高了运能，充分发挥了铁路的运营潜力，大幅度提高了铁 路同公路运输、航空运输及水路运输等运输方式的竞争力，为铁路运输业提供了 全新的发展平台，推动了铁路运输业的快速发展。与此同时，高速铁路的发展也 成为推动铁路科技事业发展的强大动力，引发了多项革命性突破，形成了铁路运 输业和铁路科技事业相互促进的良好发展态势。因此，高速铁路既是世界各国铁 路未来发展的潮流和必然趋势，也是铁路事业的主要研究课题和发展方向。 同国际先进国家相比，我国铁路还很落后。铁路运能的低下与人民要求的日 益提高这一矛盾显得愈来愈突出，中国铁路的全面提速势在必行。于是，自1 9 9 7 年开始，我国铁路已进行多次大规模提速。目前，已经基本实现全国路网中主要 干线的普遍提速。我国的国情和复杂的地理特征决定我国铁路提速不能靠大规模 修建高速线路来实现。因而只有利用既有线，通过改善机车车辆的性能来满足提 速的要求。 高速铁路是一个涉及多学科的系统工程，其中高速机车在高速铁路技术中占 有十分重要的地位。而高速机车转向架是高速列车最主要的部件之一，其性能直 接与列车的安全性、可靠性、舒适性、环保性密切相关，因此高速机车转向架技 术是高速列车的关键技术之一。随着我国铁路列车的不断提速和准高速列车的正 式上线，对高速机车转向架的不断深入研究就成为一项非常重要的课题。 铁路客车的最基本结构包括走行部位和车体两个部分。走行部位在铁路行业 的技术术语是转向架，转向架主体构架零件是采用铸钢( b 级钢) 或1 6 m n r 两 种材料。铁道车辆转向架长期以来一直为铸钢件，但随着铁道高速化的发展，对 第一章文献综述 转向架提出了轻量化的要求。焊接结构构架可以根据需要选用合适的材料，相应 地减薄板厚，因此焊接转向架在高速列车中得到了广泛应用。 其中随着焊接转向架的发展，1 6 m n r 的应用越来越普遍，资料表明1 2 , 3 ： 1 6 m n r 钢作为一种在国内普遍使用的钢种，广泛应用在了中低压力容器和火车转 向架上。 转向架作为铁道车辆中的最关键部件，担负着支撑车体、运行、转向等功能， 它决定着客车的运行品质和行车安全。随着客车速度的提高，对转向架的减重提 出了严格的要求，为此，国内外客车转向架构架均采用焊接结构【4 5 】，特别在高 速运行状态下，强烈的振动和冲击载荷作用在构架上，构架的疲劳性能和可靠性 尤为重要。 焊接转向架的结构特点是由钢板焊接而成。由于焊接工艺的特点，焊缝的材 质是不均匀的，存在不同的区域，各区域抗疲劳破坏的性能有差异，加上焊缝中 不可避免地存在各种宏观缺陷或微小裂纹，这些缺陷在使用中不断扩大，从而造 成结构失效，特别焊缝交界处复杂的几何形状，使焊缝接头处具有高的应力集中， 加上焊接残余应力，从而使焊缝区存在极高的局部峰值应力，为工作中最易出现 破坏事故的地方，因此是焊接转向架的主要薄弱环节。 同时，由于转向架在线路运行中，焊接构架承受并传递着运行过程中的各种 垂向、横向和纵向交变随机载荷，从而使其疲劳问题更加突出【4 9 j 。近年来，随 着我国铁路客车大幅度提速，列车高速行驶进一步加剧了车体的振动和材料的疲 劳损伤效应，增大了转向架焊接构件，尤其是构件中主要承力的焊接接头因材料 疲劳而出现过早失效的安全隐患。 目前，我国主要干线的提速列车已经全面开行，但由于在提速转向架的研制 过程中，主要采用以安全系数保障强度裕度的定值方法，焊接构架存在着静强度 富裕，疲劳强度不足，设计阶段不能预测疲劳寿命和没有疲劳可靠性指标等问题 1 0 , 1 t ，因此，转向架的疲劳问题时有发生，严重危及行车安全。 1 2 关于疲劳 疲劳的研究始于1 9 世纪中期w o h l e r 对车轴的系统研究，之后，材料和结构 的疲劳问题己越来越引起人们的重视，并进行了广泛的研究 1 2 - 1 5 j 。 什么是疲劳? 这里援引美国试验与材料协会( a s t m ) 在“疲劳试验及数据 统计分析之有关术语的标准定义 ( a s t me 2 0 6 7 2 ) 中所作的定义：“在某点或 某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材 料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳”1 1 6 。 2 第一章文献综述 在材料疲劳研究领域，通常按循环失效周次将疲劳划分为高周疲劳和低周疲 劳。它们两者之间没有严格的界限，高周疲劳与低周疲劳的主要区别在于塑性应 变的程度不同，高周疲劳时，应力一般比较低，材料处在弹性范围，因此其应力 与应变是成正比的。低周疲劳则不然，其应力一般都超过弹性极限，产生了比较 大的塑性变形，所以应力与应变不成正比。这样，低周疲劳也常称为应变疲劳。 与此相应，高周疲劳也常称为应力疲劳。 低周疲劳问题涉及的范围十分广泛，特别是在动力设备方面，如航空发动机、 涡轮转子、核压力容器中都严重存在着低周疲劳问题，因此对低周疲劳的研究有 着广泛的应用前景。在实际中，某些构件虽然总体受力处于弹性范围，但某些部 位存在应力集中，在应力集中区材料已经进入塑性变形状态，也会发生低周疲劳。 由于低周疲劳失效危害大，广泛发生于工农业生产的各个领域，因而受到世界各 国的普遍重视，已成为疲劳研究的重要方向。近二十来，随着现代分析技术水平 的不断提高，对低周疲劳现象的研究进展很快，并取得很多的成果，为保证材料 服役期的安全可靠，延长构件的寿命起到了不可估量的作用。 然而，由于低周疲劳现象本身存在的复杂性及其涉及多个学科领域，迄今为 止，人们仍不能完全掌握它的物理本质和变化规律，还不能从根本上防止低周疲 劳破坏引起的事故。因而对材料低周疲劳现象的研究仍是长期而艰巨的任务，目 前用宏观、微观试验相结合的方法来揭示低周疲劳行为的内在本质和规律是重要 的研究方法之一，受到国内外学者的广泛重视，并取得许多重要成果，尤其是对 材料微观机理的研究，更是取得了长足的进步。 1 2 1 转向架焊接接头疲劳的研究进展 提高列车运行速度是我国铁路客运发展的方向，为此要求相应研制出高速、 安全的铁路客车转向架。目前，高速转向架的研制与开发已成为铁路提速的关键 技术之一。客车转向架为焊接架构【1 7 1 ，转向架结构中的铸造件逐渐被取消，越来 越多的构件采用钢板焊接而成。焊接质量及接头性能的优劣直接影响客车运行的 安全性，其中接头的疲劳性能更为重要。 实际应用中发现转向架结构的破坏多是从焊接接头处开始的，这主要是由于 在焊接接头处存在气孔、未焊透以及裂纹等几何缺陷，导致局部区域应力集中， 从而降低了整个结构的强度和使用寿命。因此研究焊接接头处的疲劳性能以及分 析影响焊接接头性能的因素具有重要的意义。 近年来，国内外对焊接转向架做了大量的研究工作，从各个方面对焊接件的 疲劳问题做出了探索，并取得了许多可喜的成绩。 第一章文献综述 针对焊接结构特点，邹定强、申宏伟对焊接接头进行了疲劳分析【l 引。他们做 了大量的疲劳试验以及宏微观分析，针对不同的焊接接头形式、不同的处理方法 得到的转向架的焊接接头，他们得出结论：焊接缺陷的多寡是影响接头疲劳性能 的关键因素，因此，加强焊接工艺研究、提高工艺水平和控制焊接质量是改善焊 接转向架抗疲劳性能，延长使用寿命和提高安全性的重要手段。对焊接接头进行 一定工艺上的修复也是提高接头的强度的一个措施。 陶传琦【19 1 、l e h m a n n 2 0 1 、丁韦【2 l 】、陈琳俐和b l o m 2 3 】等讨论了焊接工艺及材 质对接头的疲劳性能的影响；他们认为疲劳是焊接接头在低应力下过早破坏的主 要原因，在他们的研究中不仅对焊接的工艺过程进行研究，更对焊接材料的选择 进行了对比，认为材质对焊接结构的性能也存在一定程度的影响。 此外，崔二光【2 4 】、孙周明【2 5 】、米彩盈刚和王红【2 7 ，2 8 1 等研究了焊接构架疲劳 分析及评估方法。 国内外很多学者还对转向架的焊接变形及其寿命作了数值分析研究【2 9 - 3 。 尽管如此，考虑到焊接结构的材质不均匀性的影响，焊接转向架疲劳行为的 研究还很欠缺。 为了保证转向架的安全使用，需要了解影响焊接接头性能的各种因素，并在 生产过程中加以控制。在转向架的设计和安全性、可靠性评定中，也需要基于焊 接接头的相关疲劳寿命数据。因此，研究和探讨焊接接头的疲劳特性，特别是基 于对焊接接头的非均质性进行考虑，对焊接接头的疲劳性能进行研究具有非常重 要的意义。 1 2 21 6 m n r 钢的疲劳研究进展 由于1 6 m n r 钢具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能，该材料在 压力容器及铁路转向架焊接构件等领域得到了广泛的应用，国内外许多学者对 1 6 m n r 钢的焊接接头进行了疲劳性能研究 3 2 - 3 3 ，随着焊接工艺的发展和普遍应 用，越来越多的学者对1 6 m n r 的焊接接头进行了大量的研究 3 4 - 3 9 。 陈旭等1 4 0 】对手弧焊、c 0 2 气体保护和a r 气体保护焊3 种焊接方式的1 6 m n r 钢焊接接头进行了低周疲劳试验比较，研究表明焊材比母材有较大的强化，3 种 方法的低周疲劳寿命没有明显的差异。 杨冰等1 4j j 对1 6 m n r 钢焊接头概率循环应变寿命模型进行了分析。综合利用 不同试验条件下的试验数据。提出了合理的材料与结构概率设计分析曲线。模型 用概率三参数幂指数模型表征，同时考虑了试验数据分散性和样本量对概率评价 的影响，包含了存活概率曲线、置信度曲线和两者融合曲线，可为工程实践提供 广泛的选择性。作为比较，相应给出了1 6 m n r 钢母材的各曲线参量，得到了1 6 m n r 4 第一章文献综述 钢标准光滑圆棒和漏斗形试样母材、焊缝、熔合区、热影响区及c 0 2 焊接头、a r 焊接头和手工焊接头在三角波加载模式、对称循环条件下的试验数据。通过对试 验数据进行比较，结果表明母材试样数据明显偏高，而其它试样数据的分散性较 大，相互交错，难分彼此。由此可见1 6 m n r 钢母材抵抗疲劳失效能力高于焊接 头。两者宜分开处理；焊接头及其局部区域抵抗疲劳失效能力的随机性明显，但 彼此差异不大，工程实践中可不区别局部性的影响。 于琴等1 4 2 j 采用动态冲击试验，研究1 6 m n r 焊接接头在高速冲击加载条件下的 断裂韧性，并分析了其影响因素以及断口形貌。试验结果表明：随冲击速度增大， 焊接接头的冲击韧性明显下降；在动态冲击载荷作用下，试样的断裂以脆性断裂 为主，焊接接头整体趋向于硬脆。对承受动态冲击载荷的焊接接头进行安全设计 时，应特别重视焊接接头的冲击韧性。 段权等1 4 列通过研究压力容器用16 m n r 钢焊接接头疲劳裂纹扩展规律，发现 微观组织的不均匀性将导致焊接接头在力学上具有不均匀性，疲劳裂纹萌生和扩 展寿命的随机性很大。采用可靠性分析方法，研究了焊接接头疲劳失效概率模型。 g o n g 等i 4 4 1 通过高应变低循环疲劳试验模拟强地震状况以及利用e i c e n t r o 地 震波谱绘制显微照片研究普通压力容器用钢16 m n r 的疲劳性能。h o n g 等【4 5 】进行 了等幅荷载下l6 m n r 疲劳裂纹增长的统计分析，得到了疲劳裂纹增长的统计数 据。由实验数据知，在已知累计载荷循环数或载荷循环数分布时，就可以确定裂 纹的大小。 1 3 关于焊接接头的研究 焊接接头的不均匀性使之不同于一般均质材料和结构，不能按照均匀体来进 行研究。这里有必要首先来了解一下焊接接头的形成以及构造。焊接接头的性能 是各特征区域性能的综合体现【4 6 1 ，某一区域性能较差，就成为接头的薄弱环节， 将决定整个接头的性能。 焊接接头的宏观组织可分为三个部分：( 1 ) 中心焊缝区；( 2 ) 靠近焊缝的热 影响区；( 3 ) 母材金属。这三个区域相互间并没有严格的界限。 因为特定的焊接接头的不同区域的组织和性能与材料本身的属性及焊接工 艺直接相关，1 6 m n r 钢属于不易淬硬钢，这里就以低碳低合金钢为例，详述焊 接接头的不同区域的组织、性能。 1 3 1 焊缝的形成、组织和性能 焊缝金属是由母材和焊条( 丝) 熔化形成的熔池冷却结晶而成的。焊缝金属 第一章文献综述 在结晶时，是以熔池和母材金属的交界处的半熔化金属晶粒为晶核，沿着垂直于 散热面方向反向生长为柱状晶，最后这些柱状晶在焊缝中心相接触而停止生长。 由于焊缝组织是铸态组织，故晶粒粗大、成分偏析，组织不致密。 由于焊丝本身的杂质含量低及合金化作用，使焊缝化学成分优于母材，所以 焊缝金属的力学性能一般不低于母材。 而在焊接熔池完全凝固以后，随着连续冷却过程的进行，对于钢铁材料来讲， 焊缝金属将发生组织转变。转变后的组织，是根据焊缝的化学成分和冷却条件而 定。 总的说来，焊缝呈柱状晶特征。柱状晶晶粒粗大。焊缝的组织主要有： 1 ) 先共析铁素体：包括晶界铁素体和晶内铁素体。 2 ) 珠光体。 3 ) 侧板条铁素体( f s p ) ：由晶界向晶内扩展，中间夹珠光体，易在晶界铁素 体上形成。 4 ) 针状铁素体( a f ) - 奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体，以氧化物或氮 化物为形核核心，呈放射状生长，相邻针状间为大倾角。 5 ) 马氏体和上贝氏体：在晶界生核，板条间为f e 3 c 。 6 ) 下贝氏体：f e 3 c 分布于铁素体板条的内部。 对于常用的焊接结构钢( 低碳钢) 从液态向固态的一次结晶形成柱状晶奥氏 体，然后进一步冷至室温还要经历二次结晶过程，呈柱状晶的奥氏体在冷却过程 中分解为铁素体和珠光体。由于含碳较低，由先共析铁素体沿奥氏体晶界析出， 把原奥氏体的柱状晶轮廓勾画出来，也称为柱状铁素体。柱状铁素体十分粗大， 其问隙中为少量珠光体，往往成魏氏组织形态。若为多层焊接，焊缝二次结晶组 织变为细小铁素体加少量珠光体。这是由于后一层焊缝相对前一层焊缝进行加 热，使其发生相变再结晶，从而柱状晶消失，形成细小的等轴晶。合金钢二次结 晶的组织，则受到合金元素和焊接条件的影响而会出现不同的组织，一般焊缝中 合金元素较多，淬透性较好或冷却速度加快时出现贝氏体马氏体组织。 1 3 2 焊接接头热影响区的构成 焊接过程中，焊缝金属熔化，靠近焊缝金属两侧的母材发生组织和性能的变 化，这一区域称为焊接“热影响区 ( h e a t a f f e c t e d z o n e ) 或“近缝区”( n e a r w e l d z o n e ) 。 受焊接过程热循环( 加热和冷却) 的作用焊缝附近的热影响区相当于经历了 “特殊的热处理”过程一样。焊缝及热影响区各部分由于离熔池距离不同而被加 热到不同的温度，焊后冷却时又以不同的冷速冷却下来，因此使该区的组织变得 6 第一章文献综述 复杂。 由于焊缝周围的金属导熟作用，焊缝和热影响的冷却速度很快，有时可达淬 火的程度。冷却速度受材料的导热性、板厚和接头形状及钢板在焊前初始温度( 包 括环境温度或预热温度) 等因囊的影响。钢板尺寸越丈，冷却越快，钢板初始温 度越高( 预热) ，冷速越慢。对于不易淬火锯和易淬火钢来讲，热影响区的组织 是不一样的。 蠹霭 ( a ) 热髟响区的组织分布示意图( b ) 铁碳相图 囤l 1 焊接热髟响区和铁衷相雷的关系 f i 9 1 - 1t h e 一埘s l l 轴o fd i ! 灯i b u l i 蚰o f t h e m k r 咖c h 肚m h a z ；( a ) t h e d i s 丽b u t i o n o f t h e m j a h n k 时e i n h a z ；c o ) i r o n - c w o o n d h a 鳍d l a g r a m 下面以不易淬火钢为倒，看看热影响区的组成。 图1 1 为焊接热影响区和铁碳相圈之间的关系。本文也将以此来分析焊接热 影响区的组织变化。以组织发生显著变化可将热影响区分为四个区域： ( 1 ) 熔台区。叩融台线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处在固 相线附近与液相线之间，金属处于局部熔化状态，晶粒十分粗大，化学成分和组 织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织。这段区域很窄 ( 0 卜i m m ) ，金相观察实际上报难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强 度、塑性都有很大影响，往往熔合线附近是裂纹和臆断的发源地。 ( 2 ) 过热区( 粗晶粒区) 。加热温度范田1 0 t 耙b 为开始晶粒急剧长大温 度，t m 为熔点) ，当加热至1 1 0 0 以上至熔点，臭氏体晶粒急剧长大，尤其是在 1 3 0 0 以上。奥氏体晶粒急尉粗化，焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织，塑性、 韧性降低，使接头处易出现裂纹。 第一章文献综述 ( 3 ) 正火区( 细晶粒区) 即相变重结晶区，加热温度范围a c 3 t l ( s 之间，约 为9 0 0 - 1 1 0 0 ，全部为奥氏体，空冷后得到均匀细小的铁素体+ 珠光体组织，相 当于热处理中的正火组织，故又称正火区。 ( 4 ) 部分相变区，即不完全重结晶区，加热温度a c l a c 3 ，约7 5 0 9 0 0 c ， 钢被加热奥氏体+ 部分铁素体区域，冷却后的组织为细小铁素体+ 珠光体+ 部分大 块未变化的铁素体，晶粒大小不均匀。 热影响区的组织主要有： ( 1 ) 先共析铁素体：包括晶界铁素体和晶内铁素体。 ( 2 ) 带有第二相的铁素体：第二相有珠光体、渗碳体、马氏体及m a 组元。 ( 3 ) 针状铁素体：奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体，以氧化物或氮化物 为形核核心，呈放射状生长，相邻针状间为大倾角。 ( 4 ) 马氏体。 1 3 3 焊接接头热影响区中的组织对性能的影响 1 、铁素体对韧性的影响 从阻止脆性裂纹的扩展来看，粒状和条状铁素体的混合组织有利于提高韧 性。单一的平行排列的条状铁素体或有规则排列的粒状铁素体均不利性提高。针 状铁素体可改善焊缝韧性。先共析铁素体对韧性不利，因为显微硬度低，塑性变 形易集中在其上面，加之夹杂物较多，晶粒粗大，易开裂。 2 、贝氏体对韧性的影响 随贝氏体生成温度的降低，贝氏体的韧性提高，即下贝氏体的韧性好。 3 、马氏体对韧性的影响 含碳量越高，对韧性越不利。低碳马氏体，特别是低碳回火马氏体对韧利。 奥氏体富碳在3 5 0 己基本完成，并开始分解生成铁素体和渗碳体，余奥氏体分 解时，韧性好。马氏体的脆性主要来自孪晶亚结构，孪晶的使得只有与孪晶面一 致的滑移系才能在塑性变形中起作用，而孪晶的滑移很少，固韧性降低；另外， 片状马氏体中常存在显微裂纹，对韧性也不利。 4 、m a 组元对韧性的影响 上贝氏体为主的组织韧性较低的原因之一是由于贝氏体化铁素体板条宽粗 化而使断面单元增大；更为重要的原因是贝氏体化铁素体间生成的m a 组元。 m - a 组元的硬度可达7 0 0 h v ，在t s s d x 于7 0 s 时，随t 8 5 增大，不仅断面单元增大， 而且m a 组元也增多。当t s 5 二一 1 8 0 s 后，韧性不变，其原因是断面单元增大的同时 m a 组元的减少所致。 第一章文献综述 1 3 4 多层焊的影响 焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，又由高而低随时 间的变化称为焊接热循环。 距焊缝不同距离的各点，所经历的热循环是不同的。另外，由于焊接方法不 同，热循环曲线的形状也发生较大的变化。焊接是一个不均匀加热和冷却的过程， 也可以说是一种特殊的热处理，从而使热影响区造成不均匀的组织和性能。同时 也会产生复杂的应力与应变，给焊接结构的安全稳定性带来了许多复杂的问题。 焊接热循环有许多衡量其对组织性能的影响的参数，如：加热速度、最高温 度和在相变温度以上的停留时间等，这些参数都与焊接方法、焊接线能量、焊接 工艺参数等相关。 在实际焊接生产中，多数是采用多层多道焊接，特别是厚板结构，有时要焊 几十层，甚至几百层。 多层焊接实质上是由许多单层焊接热循环叠加而成，在相邻焊层之间彼此具 有热处理的作用。因此，多层焊比单层焊更为优越。 开始焊接后一焊道时前一焊道所具有的最低温度为层间温度。对后道焊道而 言前一焊道具有预热的作用，对前一焊道而言后一焊道具有后热的作用。 1 3 5 考虑焊接接头材质不均匀的研究 对于焊接接头这种非均质结构，国内外进行了许多研究，大部分1 4 - 5 0 】还是针 对焊接接头这种结构作为整体进行研究的。 随着研究手段的发展，人们对焊接接头的各个部位开始充满探索和研究的兴 趣，而且也存在一定的必要性，也有很多人在这方面做出了很多贡献。 程光旭等【5 l 】在研究焊接接头的低周疲劳时，为了对焊接三个特征区分别进行 研究，设计的疲劳试件仍采用标准试件的尺寸，但将不同的区域在加工时置于试 棒的试验段，即圆弧最小截面上，认为以此进行的低周疲劳试验，即是针对焊接 接头的不同区域而进行的。 对焊接接头的强度试验，通常如上所述，从焊接件上横向切取含有焊接接头 的拉伸试样来进行。但试验发现，对力学性能不均匀的焊接接头，试样的取样位 置和尺寸对强度测量值有一定的影响，且这种影响随接头力学性能不均匀程度的 增加而加强。 于是朱亮等【5 2 1 采用宽板试样，进行不同区域的材料分析和研究，但仍然是进 行的横向取样。 随着模拟软件的发展【5 3 】，越来越多的研究者对接头这个不均匀体的各部分的 9 第一章文献综述 性能有了更高的需求，于是，很多研究开始从纵向取样，完全从不同于整个结构 的角度来研究接头的各部分的性能。 比较典型的研究大多是针对异种焊接接头，采取纵向取样的方式，在各自的 母材、热影响区和焊缝中取出完全代表各自区域的组织和力学性能的试件，从而 有针对性的对不同区域的材料进行研究【5 4 1 。 1 4 本文所做的工作 因为焊接接头的三个区具有不同的金相组织和力学性质，因此反映出整个焊 接接头具有材质和力学非均匀性。如果按传统的疲劳分析方法，把它作为均匀材 料来处理，并不符合实际情况。 近年来，在进行焊接接头的安全评定时，采用非均质的力学模型，计算力学 非均匀性的影响，已愈来愈受到重视，并开始研究各分区材质非均匀弹塑性性质 对整体接头力学性能、断裂力学参量以及对塑性区等的影响，但是，目前还缺乏 有关材质和力学非均匀性对疲劳特性影响的研究，例如焊接接头的疲劳损伤机 制，裂纹的易萌生区以及非均匀性对疲劳裂纹扩展规律的影响等问题还不甚清 楚。 本文就是选取典型的焊接转向架的材料1 6 m n r 的特定焊缝形状的焊接接 头，通过宏观试验和微观分析相结合的方法，对焊接非均匀体的疲劳进行分区域 分别研究。考虑到实际结构中发生疲劳断裂的部位多位于焊缝和热影响区，采用 小试样针对局部材质进行疲劳试验。主要研究内容有： l 、完成转向架材料及焊缝的微观组织的观测和对比比较； 2 、完成对焊接接头的母材、焊缝以及热影响区的不同材质的疲劳试验，对 其疲劳性能进行对比。 1 0 第二章16 m n r 焊接接头的显微组织分析及硬度测试 第二章1 6 m n r 焊接接头的显微组织分析及硬度测试 2 1 试验材料及焊接工艺 2 1 1 试验用钢板 16 m n r 钢具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能和低温冲击韧性， 时效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能优良( 厚度在3 0 m m 以下时，焊前一般不 预热，焊后可不热处理) ，中温( 4 5 0 。c ) 及低温( - 4 0 c 以上) 机械性能均优于 q 2 3 5 、1 5 畚、3 0 # 碳素钢，质量稳定。其具体化学成分和机械性能列于表2 - 1 和表 2 2 中。 1 6 m n r 钢缺口敏感性较碳钢大，当有缺口存在时，疲劳强度比q 2 3 5 低，且 易产生裂纹，在加工时应引起注意。1 6 m n r 钢适用于机车车辆、起重设备、矿 山机械、电机、锅炉、石油、化工、造船、桥梁等行业及其他低温地区工程机械 的焊接结构件，其特点是可以节约钢材，减轻结构重量。适用于制作中、常温及 中、低压容器的受压元件，也可用于制作在大气环境及腐蚀性气体、液体下工作 的各种结构件。 表2 11 6 m n r 钢的化学成分( w t ) t a b l e2 - 1c h e m | c a lc o m p o s i t i o no fl6 m n rs t e e l ( w t ) 合金元素cm ns ispn ic rt i 质量分数0 1 41 3 2o 2 70 0 0 4o 0 1 2o 0 7 0 0 60 0 18 表2 - 21 6 m n r 钢的常规机械性能 t a b l e2 - 2g e n e r a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f16 m nrs t e e l e m p a od m p aob m p a 6 v 1 l r 2 1 1 0 5 3 7 85 8 22 70 2 8 5 8 表2 2 为常温下16 m n r 的常规机械性能。16 m n r 作为一种压力容器常用钢， 在国内应用广泛。 焊接件由某车辆厂提供，厚度为2 0 m m 的1 6 m n r 钢板，用切割后的两块板 第二章1 6 m n r 焊接接头的显徽组织分析及硬度澍试 材焊接得到焊接原料，母材的性能如上一节所述。所得到的材料外形如图2 - 1 所 示。 2 1 2 焊接材料 圈2 - 1 试验用原材料 f i g2 - 1r a w m a t e r i a l s f o r t e s l s 本实验采用直径为1 2 r a m 的焊丝e r 5 0 - 6 ，进行的气体保护焊。焊条成分见 表2 - 3 。e r 5 0 - 6 焊丝与美国e r 7 0 s - 6 焊丝相当，焊丝化学成分设计合理拉拔性 能好，其工艺性能优皂，塑性、韧性高。 表2 - 3 掉丝e r 5 0 - 6 的化学成分( w t 。) 垡坦z ：生磐竖! 竺业箜尘磐堕堂型些磐! 坚堕堂f 业l 台金元素cm ns isp 含量0 0 6 - 0 1 51 , 4 0 1 8 50 8 0 n i1 5 0 0 3 5 o 0 2 5 2 1 3 焊接工艺 表2 - 4 焊接工艺参数 工艺焊接电流a焊接电压v 气体流量l r a i n 参数2 6 0 - 2 8 02 6 - 2 81 8 - 2 0 本实验的焊接方法采用富氩气体保护焊、对接接头型式，气体成分：a t ： 第二章1 6 m n r 焊接接头的显微组织分析及硬度测试 c 0 2 - 8 0 ：2 0 。焊接工艺参数见表2 4 。 通过对焊缝断面的宏观分析，认为焊缝外观形状平整，焊缝之间、焊缝与母 材间呈圆滑过渡，焊缝表面波纹细密。经过拉力试验、弯曲试验和冲击试验，材 料加工性能良好。无损检验合格。 2 1 4 取样方式 在图2 - 1 所示的原材料中，首先沿着焊缝的方向，垂直于焊缝截取5 0 0 m m 的一段，然后在所取的部分材料中取得试验所需的各种试件。 0 j _ 】、 i 、：j 7 第 j 一jo - 、 j 。夕 豁0 、：、_!，2黼罱 、黼r 1 f j 。 1 、 图2 2 取样部位命名 f i g 2 - 2 s a m p l i n gp o s i t i o na n dn a m i n g 焊缝的形式为对接焊，如图2 2 所示，在焊缝的横截面上，平行与钢板的底 面沿着厚度方向我们选择四行作为试验研究的对象。并从上到下依次命名为：第 一行( t h ef i r s tl i n e ) 、第二行( t h es e c o n dl i n e ) 、第三行( t i l et h i r dl i n e ) 和第四行 ( t h ef o n hl i n e ) 。 2 2 焊接接头显徽组织分析 2 2 1 试验方法 这一节就是对16 m n r 焊接接头进行金相观察，金相样品的制备及观察过程 为： ( 1 ) 取样：考虑到试样的代表性，以及组织的均匀性，我们在基材试样上截取 - - , b 块( 远离变形区域) ，供观察用，焊接接头沿垂直焊缝的方向，采用切割的办 法截取尺寸为2 0 x 2 0 5 0 m m 3 的带有焊缝、热影响区和母材三部分的金相试样， 如图2 3 所示。 第二章1 6 m a r 焊接接头的显徽组织分析及硬度铡试 图2 - 3 金相试样 f i g2 - 3m e t a l l o g r a p h l cs a m p l e ( 2 ) 磨光：首先，在国产m - 2 型金相试样预磨机上依次用1 2 0 号、2 4 0 号、 4 0 0 号水磨砂纸打磨成平整的表面，然后在玻璃板上依次用6 0 0 号、8 0 0 号、1 0 0 0 号、2 0 0 0 号金相砂纸磨光，使样品表面平整，无较深划痕。磨光时不能过热， 以免表面氧化影响微观组织的观测。 ( 3 ) 抛光；在无级变速金相抛光机上进行。粗抛，采用普通抛光液及细昵布 在抛光机上抛至试样表面无明显划痕；精抛，用粒度为0 5 i i m 的金刚石抛光膏抛 光，直至无划痕、污迹、拖尾等成为光滑无痕的镜面。 ( 5 ) 浸蚀t 浸蚀剂采用4 的硝酸酒精溶液。将侵蚀液倒在抛光面上，待光亮 的表面失去光泽变成银灰色后，立即用清水冲洗再用酒精漂洗，然后用热风吹干， 即可在金相显微镜下观察。 ( 6 ) 观察：金相显微组织观察采用o l y m p u sg x 5 1 大型金相显微镜。主要观 察合金组织的晶粒形貌、晶粒大小、变形情况、再结晶情况及第二相粒子的形貌、 大小、分布等。 此焊接接头采用的是多层多遒焊，对于多屡多道焊的热影响区，f a i r c h i l d s s 等人将其划分为粗晶区( u n a l t 州tc o m s 昏g r a i nh a z ( c g h a z ) ) 、细晶区 ( f i n e - g r a i n h a z ( f g h a z ) ) 、中间临界区( i n t e r c r i t i c a l h a z ( i c h a z ) ) 、次临 界区( s u b c r i t i c a l h a z ( s c h a z ) ) 、中间临界再热粗晶区( i n t e f c d t i c a l r e h e a t e d c g h a z ( g c g ) ) 和次临界再热粗晶区( s u b c r i t i c a lr e h e a t e d c g h a z ( s r c g ) ) ， 如图2 - 4 所示。 第二章1 6 m n r 焊接接头的显微组织分析及硬度测试 图2 - 5 母村的金相组织 f i g2 - 5 t h e m i c r o s t m e t u r eo f b a s e m e m l 第二章1 撇焊接接头的显徽组织分析及硬度澍试 因为所选取的是热轧处理的1 6 m l l r 钢板，所以从图中可以明显看出母材为缴 向组织，基体为细晶粒的铁囊体及细带状的珠光体组织，而且铁素体晶粒极细小。 ( 2 ) 焊缝 第二章中已经提到，焊缝金属是由母材和焊条( 丝) 熔化形成的熔池冷却结 晶而成的。焊缝金属在结晶时，是以熔池和母材金属的交界处的半熔化金属晶粒 为晶核，沿着垂直于散热面方向反向生长为柱状晶，最后这些拄状晶在焊缝中心 相接触而停止生长。由于焊缝组织是铸态组织，散晶粒粗大、成分偏析，组织不 致密。 也就是说，焊缝金属组织和性能在很大程度上取决于焊接材料。 潦黧 图2 - 6 为焊缝封面区金属组织，可以看出，在这个区域呈粗大的柱状晶组织， 在柱状晶的晶界上分布着白色的先共析铁素体沿晶界向晶内平行生长。晶内有针 状铁紊体粒状贝氏体和少量珠光体。由于针状铁素体的存在，对此区的性能有 很大危害作用。 图2 7 为焊缝非封面区金属组织，可l ；c 看出，在这个区域主要为等轴状分布 的先共析铁素件和少量珠光体，以及一些碳化物分散其中。此区的晶粒均匀、细 小，强度和韧性都应该很好。 ( 3 ) 热影响区 图2 - 8 和图2 - 9 为上节所述的焊接工艺条件下获得的熟影响区金属显微组 织。 第二章1 6 眦焊接接头的显搬组织分析及硬度铡试 鬻 麟鬻 图2 - 8 为焊接接头封面区热影响区组织，可以看出，在这