礦用自卸車車架疲勞失效試驗與研究

關麗坤 鄧明勝 朱海平

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.中國兵器工業集團內蒙古北方重型汽車股份有限公司，內蒙古 包頭 014030）

某型礦用自卸車部分車架在使用不足10 000 h發生了焊縫周邊開裂的現象見圖1所示。這種車架主要是用HG70鋼板焊接而成，若焊接工藝不當，就會導致在實際使用中出現焊縫旁邊開裂的現象，除去結構的原因，焊接過程、材料性能都會有很大影響。這種材料具有強度高、低溫韌性好，耐腐蝕的特點［1］。其主要大規模運用于礦山機械、冶金設備，并且作為工程機械用鋼，常用于焊接結構。針對該問題目前大多數學者采用有限元仿真的方式來模擬疲勞的危險區。其中具有代表性的有：黃妮等［2］利用有限元的方法模擬各種工況下的疲勞危險區，并進行拓撲優化研究；高團結［3］通過試驗與不確定理論對礦用自卸車的A型架焊縫進行疲勞壽命研究；還有其他疲勞試驗研究，然而對于材料和焊接工藝考慮相對較少［4］。本項目著手從工程實際模擬車架受載，通過疲勞試驗對焊縫疲勞壽命進行試驗，再研究材料的微觀組織、母材與熱影響區的微觀組織的區別和電鏡掃描斷口研究開裂的原因。

1 試驗材料和尺寸

本次試驗選用的是高強度焊接鋼板HG70，選用的鋼板尺寸為500 mm×90 mm×15 mm，采用埋弧焊的方式焊接。這種高強度低合金鋼材在礦山和冶金機械和汽車工業中有著廣泛的應用，由于加入適量的微量合金元素，具有良好的力學性能和加工工藝性能［5］。HG70鋼材的相關力學性能如表1。通過調制處理（淬火和回火），屈服強度超過700 MPa。

2 疲勞試驗設備和過程

服役期的車架斷裂位置大多集中在焊縫周邊，而非焊縫開裂。章橋新等［6］認為焊縫的硬度高于母材的，硬度最低部位基本處于焊接熱影響區，表明調質鋼焊接時會產生一定程度的軟化。所以通常焊縫處往往是危險斷裂區，這就需要試驗來驗證焊縫處的疲勞壽命，以保障其在工程實際中的安全性。為了驗證這型鋼材的疲勞壽命和疲勞斷裂位置，本次試驗選用了SDS1 000 kN電液伺服疲勞試驗機來完成疲勞試驗，圖2為疲勞試驗機實物圖。在常溫狀態下，縱向加載模擬實際使用過程中車架受力情況，圖3為試驗的試樣。為了模擬HG70鋼材在實際使用過程中的狀況，選擇正弦波的加載方式施加循環負載，直至疲勞斷裂。

疲勞試驗得到的結果見表2。疲勞試驗對應的最大拉應力為370.37 MPa，對應的最大壓應力為185.19 MPa。疲勞壽命低于105屬于低周疲勞。6組試驗最終的斷裂位置基本上和礦用車斷裂情況一致。由于加載方式相同，但加載力大小不同，所以導致壽命不同。

通過幾組試驗結果發現試驗的鋼材斷口全部是在焊縫旁2～3 cm處，焊縫處未發現脫焊、斷裂的現象。這種現象是由于焊接過程中電流大、焊接速度慢，導致局部溫度過大，且未及時冷卻使母材發生退火現象，使這一區域的母材機械性能發生改變。考慮到焊區局部加熱膨脹，焊接殘余應力會影響材料，使焊區受壓產生塑性變形，冷卻后受殘余拉應力影響。所以斷裂部位集中在熱影響區。對于工程實際使用HG70焊接時，不僅需要考慮循環載荷對于焊接頭的作用，還需要考慮焊接工藝的影響［7-8］。這兩者都影響試件的使用壽命。

3 微觀組織研究

通過疲勞試驗發現開裂部位都在熱影響區，所以考慮焊接熱對材料有很大影響。需要對鋼材的微觀組織研究尋找鋼材疲勞破壞的原因。通過對焊接熱影響區和母材的金相組織進行對比分析，以及使用掃描電鏡掃描斷口，尋找疲勞源和斷口形成原因。HG70鋼為高強度合金鋼其主要化學成分見表3，由于添加了Mo、Nb等元素，材料組織主要以粒狀組織（GS）與粒狀貝氏體（GB）為主［5］。

金相組織分析具體操作步驟：①用線切割機從試件斷口處和離焊縫較遠處取樣；②粗磨后精磨試件表面；③用機械拋光機做表面拋光處理；④用4%的硝酸酒精溶液侵蝕。用金相顯微鏡觀察，可以看到如圖4的母材金相組織。其中圖4（a）表示母材金相組織，其主體是塊狀鐵素體，還有馬氏體、M/I島組織存在；圖4（b）可以清楚地看到母材中存在粒狀組織（GS）與粒狀貝氏體（GB）。

圖5為熱影響區的金相組織，其金相組織顏色較母材深，其組織主要是板條狀馬氏體和粒狀貝氏體組織，其金相組織與母材相似但是晶粒明顯比母材粗大，說明確實存在回火軟化區。

疲勞破壞可以分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋拓展和失穩斷裂。疲勞斷口一般可以分為3個區域：疲勞源、疲勞斷裂拓展區和快速斷裂區［9］。圖6可以看到該材料的3個區域。通常對斷口研究可以分2種：一種是宏觀的即用肉眼和低倍放大鏡觀察初步判斷；另一種是微觀即通過光學顯微鏡、電子顯微鏡研究斷口。疲勞源很小，宏觀上看不到，放大500倍后可看出明顯的疲勞裂紋，可判斷宏觀缺陷性質和事故發生原因。疲勞擴展區為細晶粒，深色、平滑、海灘狀。快速斷裂區（瞬時斷裂區）為粗晶粒，凹凸不平、白色撕裂或臺階狀［9］。

圖7為疲勞斷口的電鏡掃描圖。如圖7（a）可以看到很多韌窩，這是由于疲勞裂紋的萌生都是局部塑形應變集中所引起的，這部分斷裂屬于韌性斷裂晶界弱化形成韌窩，符合疲勞源的特征。圖7（b）中有河流花樣特征。圖7（b）十分平滑韌窩少，這部分屬于脆性斷裂中的解理斷裂。解理面上產生微觀的塑性變形，從而形成解理臺階、河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣、扇形花樣及瓦納線等特征。圖7（c）中同時存在韌性斷裂和解理斷裂，說明同時存在韌斷和脆斷的情況。這種情況符合快速斷裂區的特征。

4 結論

對于工程實際使用HG70焊接時，不僅需要考慮循環載荷對于焊接頭的作用，還需要考慮焊接工藝的影響。對于本次試驗的試件出現焊縫邊開裂原因主要有兩點：一焊接質量不達標，包括焊接參數、工藝措施、施焊質量等；二是焊接殘余應力影響。由微觀組織研究發現焊縫處存在明顯回火區，回火區是焊接接頭的薄弱環節，使鋼材機械性能下降。斷口處掃描結果可以找到疲勞源，疲勞輝紋及瞬時斷裂區特征，以及確定材料的斷裂形式，符合疲勞斷裂的特征。對此提出幾點礦用自卸車車架焊接時可以參考的意見：①使用CO2氣體保護的方式焊接；②對于焊接過程中形成熱影響區，應該及時散熱；③通過預熱的方式，降低其冷卻速度改善焊接接頭組織，降低焊接接頭各部位硬度；④為了消除焊接的殘余應力，在焊接部位采用噴丸等表面處理方式，強化表面提高強度。