工程機械用鋼Q345FCA對接焊縫的高周疲勞性能

李 明 弓 碩

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；2.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083）

工程機械廣泛應(yīng)用于建筑、礦山、港口、農(nóng)田、水利、道路和國防等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟和社會生產(chǎn)力的發(fā)展具有重要意義[1-3]。挖掘機、裝載機、推土機等大型工程機械的使用環(huán)境惡劣，負荷重且復(fù)雜，經(jīng)常受到?jīng)_擊與碰撞。從工程機械整體的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面考慮，當前工程機械用鋼板的抗拉強度仍以400～500 MPa級別為主，這是由于屈服強度235～355 MPa級別的鋼板具有優(yōu)良的成形性、焊接性，焊前無需預(yù)熱，熱輸入大，焊后也無需熱處理，焊接接頭具有良好的塑性和沖擊韌性。在實際工程中，80% 以上的機械設(shè)備失效是由疲勞引起的。疲勞破壞預(yù)見性較低，突然發(fā)生設(shè)備失效極易造成較大安全事故，因此對工程機械用鋼板疲勞性能的研究非常必要。

在工程機械制造中，焊接是最主要的制造工藝[4-5]。對接焊縫常見于裝載機、挖掘機等動臂結(jié)構(gòu)件中，焊接質(zhì)量對機械結(jié)構(gòu)的疲勞使用壽命有一定影響。目前對鋼材疲勞壽命的研究多集中于橋梁、壓力容器、化工、交通等領(lǐng)域[6-10]，且多為對鋼材本體的研究，關(guān)于鋼材焊接接頭高周疲勞性能的研究較少。因此本文以工程機械用鋼Q345FCA為研究對象，對其對接焊縫結(jié)構(gòu)的高周疲勞壽命進行評估，研究焊接疲勞裂紋萌生的微觀機制。

1 試驗材料與方法

試驗材料為18 mm厚的熱軋態(tài)Q345FCA鋼板，其生產(chǎn)工藝為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→真空處理→連鑄→板坯加熱→軋制→冷床冷卻。試驗鋼的化學成分和力學性能分別如表1和表2[11]所示，母材疲勞強度為273 MPa[3]。

表1 試驗鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of the tested steel（mass fraction） %

表2 試驗鋼的力學性能[11]Table 2 Mechanical properties of the tested steel[11]

焊接試板尺寸為500 mm×200 mm×18 mm，其長度方向平行于鋼板軋制方向，沿試板長度方向開V型坡口，如圖1所示。氣保焊（gas metal arc welding，GMAW）采用大西洋牌φ1.2 mm的CHW-50C6焊絲，保護氣體為CO2，氣體流量為15～20 mL/min。熔敷金屬的化學成分和焊接參數(shù)分別如表3和表4所示。

圖1 焊接坡口示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding groove

表3 CHW-50C6熔敷金屬的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 3 Chemical composition of CHW-50C6 deposited metal（mass fraction） %

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameters

垂直于焊縫方向取樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用體積分數(shù)為4% 的硝酸酒精溶液侵蝕，然后在光學顯微鏡下觀察顯微組織。

焊接試樣的拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、硬度試驗分別在BPC-F1600EN型材料試驗機、RKP450型擺錘沖擊試驗機、YJW-50型彎曲試驗機、KB30S型維氏硬度計上進行。

根據(jù)GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲方法》進行疲勞試驗，試樣表面光潔，尺寸如圖2所示。采用QBWP-6000J型簡支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機，在室溫下進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，轉(zhuǎn)速為4 200 r/min，試驗結(jié)束的判斷依據(jù)為試樣斷裂或經(jīng)歷107次循環(huán)后未破壞。先通過升降法得到在給定疲勞壽命（循環(huán)周次為107）下對疲勞強度的統(tǒng)計估計，然后通過成組法對高應(yīng)力條件下疲勞壽命的統(tǒng)計估計，確定有限疲勞壽命范圍的S-N曲線的斜線部分；最后，結(jié)合兩部分的試驗數(shù)據(jù)擬合出完整的S-N曲線。試樣斷裂后，從斷口部位取樣，然后在掃描電子顯微鏡下觀察疲勞源位置，分析疲勞斷裂原因。

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣尺寸Fig.2 Dimension of the rotating bending fatigue specimen

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

Q345FCA鋼焊接接頭和母材的微觀組織如圖3所示。可以看到焊縫區(qū)原奧晶界分布著少量塊狀鐵素體，原奧氏體晶內(nèi)析出了細小無序的針狀鐵素體。通常混晶區(qū)性能不均勻，但試驗鋼混晶區(qū)的晶粒并未異常長大。母材組織為鐵素體和珠光體，呈帶狀。

圖3 Q345FCA鋼對焊接頭和母材的微觀組織Fig.3 Microstructures of the butt-welded joint and the base metal for Q345FCA steel

2.2 力學性能

Q345FCA鋼對焊接頭的力學性能和硬度分別如表5和表6所示。結(jié)合焊縫區(qū)顯微組織，從表4可以看出，Q345FCA鋼焊接接頭的抗拉強度（530 MPa）高于母材（488 MPa），焊縫和熱影響區(qū)的硬度也高于母材，說明焊接提高了結(jié)構(gòu)的強度和硬度。這是由于焊縫區(qū)針狀鐵素體的強度和硬度均高于母材（鐵素體＋珠光體）。此外，熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)過多異常組織，混晶區(qū)范圍較窄，對性能的影響較小，所以焊接接頭的力學性能整體優(yōu)于母材。

表5 Q345FCA鋼對焊接頭的力學性能Table 5 Mechanical properties of the butt-welded joint of Q345FCA steel

表6 Q345FCA鋼對焊接頭的硬度Table 6 Hardness of the butt-welded joint of Q345FCA steel HV10

2.3 高周疲勞性能

根據(jù)試驗鋼高周疲勞強度（273 MPa）[3]的3%～5% 估算應(yīng)力臺階，取值10 MPa。通過升降法和成組法得到試驗鋼的疲勞壽命數(shù)據(jù)如表7所示，高周疲勞試驗升降圖如圖4所示。

表7 對接焊縫的疲勞數(shù)據(jù)Table 7 Fatigue data of the butt welds 周次

圖4 高周疲勞試驗升降圖Fig.4 Staircase chart for high cycle fatigue test

使用文獻[12]推薦的50% 概率的平均法對升降法試驗數(shù)據(jù)進行處理。50% 概率的平均法按下述方法估算參數(shù)：

式中：n為升降法試驗數(shù)據(jù)對子數(shù)；SLi為各對子應(yīng)力的平均值。根據(jù)統(tǒng)計學觀點，疲勞極限定義為指定循環(huán)基數(shù)N下的中值（50% 存活率）疲勞強度。

計算得出對接焊縫的疲勞強度為260 MPa，較母材降低了13 MPa。對焊接頭的力學性能優(yōu)于母材，但疲勞強度卻低于母材。一般碳鋼和合金鋼的疲勞強度約為抗拉強度的一半，疲勞強度隨抗拉強度的提高而提高。本文Q345FCA鋼對焊接頭的抗拉強度高于母材，但疲勞強度卻未隨著抗拉強度的提高而提高。說明在焊接過程中，提高力學性能對疲勞強度的提升作用有限。

按照國標推薦的估計方法對成組法數(shù)據(jù)進行處理：

表8 Q345FCA鋼對焊接頭的S-N曲線參數(shù)Table 8 Parameters of S-N curve of the butt-weld joint of Q345FCA steel

圖5 Q345FCA鋼對焊接頭的S-N曲線Fig.5 S-N curve of the butt-weld joint of Q345FCA steel

從圖5可以看出，Q345FCA鋼對焊接頭在不同循環(huán)應(yīng)力下的疲勞壽命較為分散。當循環(huán)次數(shù)小于107時，S-N曲線為一條直線，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)的水平段。與之前研究的[3]母材的S-N曲線對比可以發(fā)現(xiàn)：當應(yīng)力高于母材疲勞強度時，對焊接頭的疲勞壽命高于母材，應(yīng)力低于母材疲勞強度時，對焊接頭的疲勞壽命低于母材。

2.4 疲勞斷口形貌

Q345FCA鋼對焊接頭的典型疲勞斷口形貌如圖6所示，疲勞源主要有孔洞缺陷和試樣表面兩種類型。表8列出了斷口長度、距焊縫中心的距離及疲勞源類型。可以看出，當疲勞源為孔洞缺陷時，試樣斷于焊縫；疲勞源為試樣表面時，試樣斷于對焊接頭的母材。孔洞可能為焊接時產(chǎn)生的未及時逸出氣體的氣孔。

圖6 Q345FCA鋼對焊接頭的典型疲勞斷口Fig.6 Typical fatigue fractures of the butt-welded joints of Q345FCA steel

表8 Q345FCA鋼對焊接頭的疲勞斷口特征Table 8 Fatigue facture characteristics of the butt-welded joint of Q345FCA steel

從圖5可以看出，當應(yīng)力低于母材疲勞強度時，只有焊接缺陷型的疲勞斷裂（圖6（a，b））和失效試樣；當應(yīng)力高于母材疲勞強度時，焊縫疲勞源有兩種類型（圖6（c，d））。從圖6可以看出，焊接缺陷主要為表面或次表面的氣孔，氣孔的尺寸有數(shù)百微米。裂紋以氣孔為中心向四周擴散。對比340 MPa應(yīng)力下兩種類型疲勞源試樣的疲勞壽命發(fā)現(xiàn)（圖6（c，d）），焊接缺陷型疲勞源試樣的疲勞壽命遠低于表面型疲勞源試樣的疲勞壽命。此外，由于低應(yīng)力下試樣疲勞源大多為焊接缺陷，其S-N曲線幾乎不存在平行段。

Q345FCA鋼冶煉時采用強弱結(jié)合的靜攪工藝，鋼中夾雜物數(shù)量大大減少，疲勞源均位于試樣表面。但對接焊縫由于氣孔等焊接缺陷的增多，疲勞源更加復(fù)雜，疲勞壽命分散性也較大。與母材的S-N曲線相比，在相同應(yīng)力下，當疲勞源在表面時，對接焊縫的疲勞壽命相比母材明顯提高。而當疲勞源為焊接缺陷時，對接焊縫的疲勞壽命隨機性增長，與母材疲勞壽命相當或低于母材。焊縫組織主要為針狀鐵素體，相較于母材鐵素體和珠光體組織，其強度和硬度較高；熱影響區(qū)硬度也高于母材，從而導(dǎo)致在沒有焊接缺陷時，試樣的疲勞源均位于較軟的母材表面，焊件強度的提高使該部位的疲勞壽命提高。存在焊接缺陷時，由于氣孔的尺寸較大，氣孔附近的應(yīng)力集中更加明顯，從而導(dǎo)致裂紋在氣孔附近萌生，疲勞壽命顯著降低。

3 結(jié)論

（1）Q345FCA鋼對接焊縫的疲勞強度為260 MPa，S-N 曲線為lg N ＝12.583 2－0.021 3S；當循環(huán)次數(shù)小于107時，S-N曲線幾乎不存在水平段。

（2）對接焊縫的疲勞源主要有孔洞缺陷和試樣表面兩種類型；孔洞缺陷主要為焊接時未及時逸出的氣體所產(chǎn)生的氣孔。試樣表面疲勞源均位于母材。

（3）存在焊接缺陷時，焊件的疲勞壽命急劇降低，因此保證焊件的焊接質(zhì)量是提高疲勞壽命的關(guān)鍵。