塑性變形與調質處理耦合作用對40Cr鋼錠焊接接頭疲勞性能的影響研究

習小慧，陳柏潼，劉永樂，彭曉柏，王金亮

(廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088)

大型鍛件是重大裝備中的關鍵基礎件，但在生產過程中廢品率高，生產難度大，且浪費能源，為了節省能源、防止鋼錠冷裂以及提高成品率，生產廠普遍采用熱送鋼錠，但是熱送鋼錠通常在加熱和鍛造時容易產生裂紋，經濟損失十分嚴重[1-3]。

目前，焊接是修復裂紋缺陷的重要手段，但至今為止，國內尚未見關于使用焊接方法修復大鍛件鍛造過程中產生的表面深裂紋缺陷的報道。為防止鍛件報廢可以采用堆焊的方法對裂紋進行修復，但修復后修復區的組織為焊接組織，對鍛件繼續鍛造，修復區組織性能的變化特點以及是否能滿足性能要求尚未知曉。

眾所周知，疲勞破壞是焊接結構破壞的重要形式。統計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構約占失效結構的90%[4-5]。故對焊接結構的疲勞強度分析顯得尤為重要。因此，本文采用Φ300 mm40Cr鋼錠，模擬大型鍛件表面裂紋修復，研究了鐓粗和鐓粗+調質處理對40Cr鋼錠MAG焊接接頭的高周疲勞性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗選用的材料是40Cr鋼錠，其成分見表1所示，尺寸為Φ=300 mm，高h=350 mm，所需數量3個，分別標記1號件、2號件、3號件，每個試件要進行的試驗工藝如表2所示。

表1 40Cr鋼的化學成分

表2 試件的不同工藝處理

1.2 實驗方法

焊接試驗采用熔化極混合氣體保護焊對40Cr鋼錠進行焊接，混合氣體采用CO2和Ar混合，混合比例20%CO2+80%Ar，將焊接完成的試件按DL/T868-2004《焊接工藝評定規程》對焊接接頭進行外觀檢查。

將焊接完成的2、3號試件，加熱至1100 ℃進行鐓粗，壓下率為37%。

將鐓粗完的3號件進行調質處理。淬火溫度為850 ℃，保溫時間300 min，淬火介質為機械油；回火溫度為520 ℃，保溫時間2 h，冷卻方式為油冷。

參照國標GB/T26077-2010《金屬軸向疲勞試驗方法》對1、2、3號試件分別在QLG-100高頻疲勞試驗機上進行高周疲勞試驗，試驗采用的載荷類型為拉-壓對稱循環載荷，應力比R=-1，加載波形為正弦波，加載頻率為f=90～110 Hz，試驗環境溫度為室溫，疲勞試樣失效的判斷標準為試樣斷裂。

采用FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡，觀察疲勞試樣發生疲勞斷裂的宏、微觀斷口形貌。

2 實驗結果及分析

2.1 40Cr原母材及焊接試樣的疲勞試驗結果及分析

對所得試驗數據進行整理，利用最小二乘法擬合存活率為50%的S-N曲線，擬合結果如下：

母材：lgN=63.6-24.1lgS

鐓粗態焊接試樣：lgN=60.6-22.4lgS

鐓粗+調質態焊接試樣：lgN=83.4-31.2lgS

圖1給出了3種試樣的疲勞試驗結果及相應的存活率50%的S-N曲線。從圖1中可以看出，三條曲線都比較平緩，近于平行。結合表3的數據可知，疲勞壽命在2.0×106時，鐓粗+調質態焊接試樣的疲勞強度比40Cr母材的疲勞強度高12.2%，鐓粗+調質態焊接試樣的疲勞強度比鐓粗態焊接試樣的疲勞強度高23%，40Cr母材的疲勞強度比鐓粗態焊接試樣的疲勞強度高9.7%。

圖1 40Cr母材及焊接試樣的S-N曲線

表3 不同疲勞壽命下試樣的應力幅

由表3數據可得，對焊接試樣進行鐓粗，反而使的焊接試樣的疲勞性能略低于原母材的疲勞性能，這可能是由于焊縫在塑性變形過程中，已經有大量位錯發生了劇烈運動，產生位錯的交割與塞積，因此在疲勞應力作用下，位錯繼續運動遇到障礙物(固定位錯、雜質粒子、晶界等)的阻礙，在障礙物的前端形成高度的應力集中，隨著循環次數的累積，產生微裂紋斷裂。對鐓粗態焊接試樣進行調質處理，焊接試樣的疲勞性能高于母材和鐓粗態焊接試樣的疲勞性能，是由于經過調質處理，得到了回火索氏體組織，具有較高的強度、韌性和塑性。

2.2 疲勞試樣斷口形貌分析

圖2所示為40Cr母材在不同循環周次時的高周疲勞斷口形貌。由圖2a和圖2d可知，40Cr母材高周疲勞的疲勞裂紋均在試樣表面或近表面的材料缺陷處萌生，整個斷口較平整，未能觀察到較清晰的貝紋線。對比發現，低壽命斷口擴展區內撕裂區所占面積較大，撕裂棱較少。由圖2b和圖2e可知，裂紋擴展區主要由疲勞輝紋、臺階和撕裂棱構成，疲勞輝紋是疲勞斷口的主要顯微特征，是裂紋擴展時留下的微觀痕跡，每一條輝紋可以視作一次應力循環的擴展痕跡[6]，而且疲勞壽命越高，疲勞輝紋間距越小。圖2c和圖2f是瞬斷區的表面形貌，疲勞裂紋擴展到一定程度以后，承受力的斷面縮小，應力增大，致使試件斷裂。從圖2中可以看出，斷口具有微坑和解理面或晶界刻面[7]等特征。

圖2 40Cr母材的疲勞斷口SEM形貌

圖3是鐓粗態焊接試樣在不同循環周次時的高周疲勞斷口形貌。與40Cr母材不同的是疲勞斷口出現兩個裂紋源，且擴展區內撕裂區面積減小，沿裂紋擴展方向的撕裂棱增多，且撕裂棱更加連續。對比圖3a和圖3d圖可知，高壽命斷口擴展區內的撕裂區面積較小，沿裂紋擴展方向的撕裂棱較多。由圖3b和圖3e可知，斷口同樣由疲勞輝紋、臺階和撕裂棱構成，不同的是斷口中隨著疲勞裂紋的擴展，出現二次裂紋和微坑，裂紋的方向與輝紋的方向平行，微坑呈不規則、不均勻分布，出現微坑是由于裂紋在擴展時，由于張應力軸與斷面的交角減小所致[8]。同樣，疲勞壽命越高，輝紋間距越小。圖3c和圖3f所示的高壽命疲勞斷口的瞬斷區具有明顯的韌窩特征。

圖3 鐓粗態焊接試樣的疲勞斷口SEM形貌

圖4是鐓粗+調質態焊接試樣在不同循環周次時的高周疲勞斷口形貌。與鐓粗態焊接試樣的疲勞斷口相比，擴展區內撕裂區面積增大，占擴展區的絕大部分，沿裂紋擴展方向的撕裂棱減少，且撕裂棱相對不連續。低壽命斷口擴展區內的撕裂區面積較大，沿裂紋擴展方向的撕裂棱較少。由圖4b和圖4e可知，裂紋擴展區同鐓粗態類似，均出現了二次裂紋和微坑，且分布也相同。瞬斷區的斷口均出現了明顯的韌窩特征。

圖4 鐓粗+調質態焊接試樣疲勞斷口SEM形貌

對比母材和焊接試樣的疲勞斷口SEM形貌可知，與鐓粗態焊接試樣的疲勞斷口相比，鐓粗+調質態焊接試樣擴展區內撕裂面積增大；鐓粗態和鐓粗+調質態的試樣斷口均出現了韌窩特征，且調質態的韌窩組織更加致密，說明韌性較好。

3 結 論

(1)鐓粗態焊接試樣的疲勞性能略低于原母材的疲勞性能；經調質處理的鐓粗態焊接試樣的疲勞性能高于鐓粗態焊接試樣的疲勞性能，此外還高于原母材的疲勞性能。

(2)原母材的S-N曲線方程為lgN=63.6-24.1lgS，鐓粗態焊接試樣的S-N曲線方程為lgN=60.6-22.4lgS，鐓粗+調質態焊接試樣的S-N曲線方程為lgN=83.4-31.2lgS。

(3)疲勞斷口分析表明：原母材及焊接試樣的疲勞斷口都具有解理特征，疲勞裂紋源起源于試樣表面或近表面；疲勞裂紋擴展區主要由疲勞輝紋、臺階和撕裂棱組成，局部區域可以觀察到二次微裂紋和微坑；瞬斷區斷口出現韌窩、微坑和解理或晶界刻面等特征。