超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响.pdf
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1、第14卷第3期2024年3 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.03.001有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.3March2024超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响童第华1.2 3,王乃境,丛家慧4,高倩倩1.2.3,陈勃1.2.3(1.中国航发北京航空材料研究院,北京10 0 0 8 6;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京10 0 0 8 6;3.中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室,北京10 0 0 8 6;4.沈阳航空航天大学机电工程学院,沈阳110 136)摘要
2、:采用USP-300超声表面加工装置对SMA490BW耐候钢表面进行超声冲击处理。研究超声冲击前后试件的显微组织、显微硬度和残余应力,比较超声冲击前后SMA490BW耐候钢焊接接头的腐蚀速率和腐蚀疲劳寿命。通过光学显微镜观察超声冲击后SMA490BW耐候钢的显微组织,采用测试仪器测试焊接接头的表面硬度和残余应力,分析超声冲击提高SMA490BW耐候钢抗腐蚀性及其疲劳寿命的机理。结果表明,超声冲击处理能使材料表层晶粒细化形成致密的塑性变形层,提高显微硬度,并在材料表面引人有效的残余压应力,降低腐蚀速率,减小失重量。同时,超声冲击处理后裂纹扩展路径变得更加复杂,裂纹扩展速率降低,焊接接头腐蚀疲劳寿
3、命得到提高。关键词:SMA490BW耐候钢;焊接接头;腐蚀速率;疲劳寿命中图分类号:TG178文献标志码:A文章编号:2 0 95-17 44(2 0 2 4)0 3-0 0 0 1-0 9Effect of Ultrasonic Impact on Corrosion Fatigue Performance ofWelded Joint of SMA490BW SteelTONG Dihual-2,WANG Naijing,CONG Jiahui,GAO Qianqian-2-3,CHEN Bol-2.3(1,AECC Beijing Institute of Aeronautical Ma
4、terials,Beijing 100086,China;2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation,Beijing 100086,China;3.Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation Aero Engine Corporation of China,Beijing 10o086,China;4.School of Mechanical and Electrical Engineering,Shenya
5、ng Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:The surface of SMA490BW weathering steel was subjected to ultrasonic impact treatment by USP-300ultrasonic surface processing device.The microstructure,microhardness and residual stress of the specimens beforeand after ultrasonic impact were stu
6、died,and the corrosion rate and corrosion fatigue life of the welded joints of theSMA49oBW weathering steel before and after ultrasonic impact were compared.The microstructure of theSMA49oBW weathering steel after ultrasonic impact was observed by optical microscope,and the surface hardness收稿日期:2 0
7、2 3-10-30基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 10 5157)Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(52105157)作者简介:童第华(198 5一),男,博士,研究方向:材料的疲劳与断裂。通信作者:丛家慧(198 0 一),女,博士,讲师,研究方向:航空材料表面强化。引用格式:童第华,王乃境,丛家慧,等,超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响J.有色金属工程,2 0 2 4,14(3):1-9.TONG Dihua,WANG Naijing,CONG Jiahui,e
8、t al.Effect of Ultrasonic Impact on Corrosion Fatigue Performance of Welded Joint ofSMA490BW SteelJJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(3):1-9.2and residual stress of welded joint were measured by testing instrument.The mechanism of improving corrosionresistance and fatigue life of SMA490BW weath
9、ering steel by ultrasonic impact was analyzed.The test results showthat ultrasonic impact treatment can refine the surface grain to form a dense plastic deformation layer,improve themicrohardness,introduce effective residual compressive stress on the surface of the material,reduce the corrosion rate
10、and the weight loss.At the same time,after ultrasonic impact treatment,the crack propagation path becomes morecomplicated,the crack propagation rate decreases,and the corrosion fatigue life of welded joints increases.Key words:SMA49oBW weathering steel;welding joint;corrosion rate;fatigue lifeSMA490
11、BW耐候钢作为一种高性能的优质材料主要用于高速列车转向架构架上,是中国新一代CRH2型列车转向架主要材料。转向架是轨道列车的行走部,其主要作用为承载车身重量,保证列车平稳运行,是高速列车的最重要的部件之一。但由于转向架在服役过程中暴露在大气环境中,作为基体的SMA490BW耐候钢不可避免的会受到酸雨或潮湿空气的侵蚀。受腐蚀后的结构件,由于焊点遭到腐蚀,失效位移进一步减小,更易发生断裂1,从而降低转向架的结构强度,损害车辆的使用寿命,影响高速列车的安全运行2-3。因此改善SMA490BW耐候钢耐腐蚀性来保证转向架构架的服役寿命十分重要。超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treat
12、ment,UIT)是一种金属材料表面强化化技术,研究证明,超声冲击设备输出的冲击载荷作用于金属表面会使其表层组织得到明显细化,并引人残余压应力,有效改善材料的力学性能4-5。目前超声冲击技术因其高效性、便捷性在焊接结构的疲劳延寿领域得到广Table 1IMain chemical composition of SMA490BW weathering steel and welding wireItemCSMA490BW0.18CHW55-CNH0.08使用USP-300型超声表面加工装置,冲击电流为2 A,试样表面单位面积冲击时间为15 min。在进行超声冲击处理时,冲击针垂直于试样表面。冲击
13、过程在冲击枪的自重下完成,以保证冲击力度均匀。采用线切割设备加工腐蚀疲劳试件,在焊缝中心处切取10 mmX10mmX8mm作为焊缝待腐蚀试样,在钢板切取3 0 mmX30mm8mm作为母材待腐蚀试样。图1为超声冲击前后腐蚀试样。参照ASTM G3172标准进行全浸泡试验。分别对未处理和超声冲击过的腐蚀试样进行简单打磨,去掉表面氧化层,之后用酒精擦去表面油有色金属工程泛应用。国内外对超声冲击处理后的SMA490BW耐候钢腐蚀性能的研究主要集中在抗拉强度、常规疲劳等力学性能。研究开发了防腐涂料、金属镀层、电化学保护、缓蚀剂、耐腐蚀材料等防腐手段6 。但是关于超声冲击对SMA490BW耐候钢抗腐蚀性
14、能影响的研究较少7-。本文通过超声冲击设备对SMA490BW耐候钢焊接接头表面进行改性处理,通过微观组织形貌观察、浸泡腐蚀试验、腐蚀疲劳试验等手段研究超声冲击对SMA490BW耐候钢腐蚀行为的影响,为SMA490BW耐候钢的腐蚀防护提供理论依据,有望扩展超声冲击技术的应用领域。1试验材料及方法焊接工艺为MAG熔化焊,焊接形式为对接焊,60V型坡口,采用8 0%Ar十2 0%COz的保护气,选用CHW55-CNH焊丝,焊丝直径1.6 mm。采用线切割加工试样。试验所用材料为SMA490BW耐候钢,其化学成分如表1所示。表1SMA490BW耐候钢及焊丝主要化学成分SiMn0.150.651.400
15、.451.40第14卷/%PS0.0350.0350.0120.008污。镶嵌试样,只保留一个面进行腐蚀。在干燥器中完全干燥后,用精密电子天平称量试样的初始质量。之后将试样全部浸人3.5%NaCl溶液中。在容器中安置水泵保证溶液的流动性。分别在12、2 4、48、6 0、7 2、9 6、12 0、144h后将试样取出,去除表面腐蚀产物并使用超声波清洗机清洗,吹干后使用失重法计算腐蚀速率,如公式(1)所示。M。-M iV=!AXt式中,M。腐蚀前试样质量,g;Mi一一腐蚀Cu0.300.500.35Cr0.450.750.65Ni0.050.300.35(1)第3期童第华等:超声冲击对SMA49
16、0BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响3abCd图1腐蚀试样超声冲击前后对比:(a)未冲击母材;(b)超声冲击母材;(c)未冲击焊缝;(d)超声冲击焊缝Fig.1 Comparison of corrosion samples before and after ultrasonic impact:(a)Unimpacted base metal;(b)Base metal of ultrasonic impact;(c)Unimpacted weld;(d)Weld of ultrasonic impact产物取出后试样质量,g;A 一腐蚀区域面积,m;t一腐蚀时间,h。焊接接头腐蚀疲劳试样超声冲
17、击处理前后对比如图2 所示。进行腐蚀疲劳试验前先将试件放入特制腐蚀盒中,保证试件的焊接接头区域完全浸泡在图2 腐蚀疲劳试样超声冲击前后对比Fig.2(Comparison of corrosion fatigue samplesbefore and after ultrasonic impact腐蚀液中。之后装夹在疲劳试验机对试样进行腐蚀疲劳试验。试验采用正弦波,应力水平为46 0 MPa,循环应力比R=0.06,频率为10 Hz。试验在室温环境下进行,温度为2 5士3。2结果与分析2.1显微组织使用金相显微镜对SMA490BW钢母材及焊缝区域显微组织进行观测可以发现,母材组织由铁素体与珠光体
18、组成,形状呈多边形块状。与其完全不同的是焊缝组织为尺寸较大的针状或板条状的珠光体和铁素体。图3为经过超声冲击处理后的母材与焊缝,可见表面均产生了塑性变形,表层晶粒得到细化。由于母材与焊缝的初始硬度的不同,相较于焊缝,母材表面在经过超声冲击后产生的强化层深度更深,经超声冲击处理后母材塑性变形层厚度达135m,焊缝区域塑性变形层厚度达8 5m。4Fig.3 Microstructure photos of base metal and weld afterultrasonic impact:(a)Base metal;(b)Weld2.2显微硬度显微硬度能直观地反映出材料力学性能的好坏,并且与抗腐
19、蚀性能密切相关。图4为超声冲击前后焊接接头焊缝区域的表面硬度对比。由于各区域在焊接过程中经历的温度不同,从而形成了不同的组织,导致硬度值出现变化。焊缝区域经历了高能量的循环温度,硬度明显高于两侧母材硬度。超声冲击处理后焊接接头的表面整体硬度得到显著提270260F250240230220210200190F180-25-20-15-10-50510152025Distancefrom weld center/mm图4焊接接头表面硬度Fig.4Surface hardness of welded joint有色金属工程高,硬度值的波动幅度减小。这是由于剧烈的机械a冲击作用在材料表层造成了严重的塑
20、性变形,晶粒135 m被拉长破碎,位错密度增高,发生加工硬化效应。图5为焊接接头沿深度方向的维氏硬度值。结果表明:1)未冲击的焊接接头沿深度方向的显微硬度无明显的差异;超声冲击处理后表层硬度整体趋势随着距表面距离的增大而减小,直至与未冲击的焊接接头硬度相同。2)超声冲击后不同区域的强化程度不同,同一区域内硬度的强化深度略大于变形50m层的厚度,说明超声冲击带来的硬度变化延伸到了变形层之下。85 m270(a)26025024023022050m210图3超声冲击后母材、焊缝显微组织:200(a)母材;(b)焊缝1900270(b)260250240230220210200190Unproces
21、sed0Ultrasanicimpacttreatment图5焊接接头沿深度方向硬度:(a)母材(b)焊缝Fig.5Hardness of welded joint along depth direction:(a)Base metal;(b)Weld2.3残余应力使用X射线应力仪测试SMA490BW钢焊接接头垂直于焊缝方向的残余应力,图6 为超声冲击处Base metalWeld zoneregion1第14卷-UnprocessedUltrasonic impact treatment0.050.10Distance from surface/mmUnprocessed-Ultrasoni
22、c impact treatment0.050.10Distance from surface/mmBase metalregion10.150.15理前后的SMA490BW钢焊接接头表面残余应力分布。焊接过程会在试样表面产生残余拉应力,但是将试验板材加工成试样的切割过程中会导致材料内部的应力重新分布,导致未冲击处理试样的残余应力接近于0 的结果。虽然焊接钢板经过切割加工成0.200.200.250.250.300.30第3期试件后有残余应力释放,但原始焊接接头仍然存在一定的残余应力,主要表现为拉伸残余应力,残余拉应力以焊缝中心为对称点,对称分布在焊缝区域内及周围;残余拉应力分布不均匀,且随着
23、距焊缝中心距离的增加残余拉应力值减小,在最远离熔合线的母材区的残余拉应力几乎为OMPa。焊缝区的残余拉应力峰值约为58 MPa,平均值为2 9MPa。3002001000-100200-300-400-500-600-25-20-15(-10-50510152025Distance from weld center/mm图6 焊接接头表面残余应力分布Fig.6 Distribution of residual stress on welded joint surface经过超声冲击处理后的焊接接头的表面残余应力变化较大,从有害的拉伸残余应力变为有效的压缩残余应力。残余压应力范围分布在一2 30
24、 一550 MPa,峰值压应力出现在焊趾处。由超声冲击引起的塑性变形不受周围材料的限制,向两侧自由膨胀,导致焊缝中心的残余压应力值相对较小。整体残余应力呈现W型。其原理在于超声波通过震动表面,导致表层金属发生塑性变形和微小位移,从而实现残余应力的松弛和均衡。同时,由于超声波的能量使金属晶界的位错活动也得到了促进,从而加速了残余应力的松弛过程。在处理过程中,由于金属组织的体积膨胀,会导致原有的残余拉应力在初期大幅下降。但随着体积的持续膨胀,受到周围材料的束缚作用增强,最终使拉应力转变为压应力。关于残余应力形式的转变存在另一种解释:超声冲击的机械能导致焊接接头发生塑性变形,对应的微观结构的变化为原
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