振动时效对焊件疲劳寿命的影响及机理分析

作者：抚顺石油学院 宋天民

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 摘要：通过对振动时效前后焊接钢板的疲劳实验、透射电镜观察实验，研究了振动时效对焊件疲劳的影响。结果表明，振动时效可提高焊件疲劳寿命。并用位错-内耗理论分析了振动时效提高焊件疲劳寿命的内在本质。 关键词：振动时效；疲劳寿命；位错－内耗理论 近年来，振动时效技术作为一种新型的节能技术和时效处理方法，以其特有的优点引起了工程技术界的重视。关于振动时效对焊接疲劳寿命影响的研究，也一直为工程技术界所关注。目前，关于振动时效对焊件疲劳寿命影响的研究及振动时效提高焊件疲劳寿命机理分析的研究国内很少报道。本文报道振动时效前后焊接试件对低周疲劳实验的结果。 1试验 1.1试件 试件由2100mm×290mm×25mm中间对开90°V型槽的(热轧)Q235钢板双面焊接而成(如图1所示)，采用埋弧自动焊。 1.2振动时效 振动时效前后的加速度-频率曲线如图2所示。由图2可见，振动时效后试件共振的加速度峰值提高，说明振动时效有效果。 1.3残余应力测试 用小盲孔释放法[1]，分别测量试件振动时效前后近焊缝区的残余应力。结果列于表1。测试点在试件中间部位的横向表面。 从表1可以看出，振动时效处理后，试件残余应力分布明显均化，振前的高残应力值降低，达到了调整残余应力的目的。 1.4金相观察[2.3] 分别在振前、振后试件近焊缝区同一位置取样、抛光，进行表面腐蚀，用金相显微镜观察位错露头处的蚀坑数目(图3)。由图3可见，振动时效后试样表面的位错蚀坑密度比未振动时效试样表面蚀坑密度有明显增加。 1.5疲劳实验 采用MTS880型材料实验系统，在应变控制下，进行对称低周疲劳试验，试件分三组，一组为垂直于焊缝并包含焊缝的横向试样；一组为焊缝对比试样(纵向)；一组为沿焊缝方向且紧靠焊缝的母材试样(纵向)。最大应变分别为0.25%，0.27%，0.28%，最小应变分别为-0.25%，-0.27%，-0.28%；应变幅分别为0.5%，0.54%，0.56%。以最大应力幅降低25%作为试样失效的判据。试验结果列于表2。 从表2可以看出，振动时效的横向试样比未振动时效试样的疲劳寿命提高43.2%。振动时效的焊缝试样疲劳寿命提高50.3%，振动时效纵向母材试样的疲劳寿命提高21.1%。 1.6TEM组织观察 分别在振前和振后两块试件中部距焊缝中心约14mm处取样，制成金属薄膜，利用透射电子显微镜(JEN-2000XⅡ型)观察，电子束方向β=[001]，得到振动时效前后试样的位错组态变化的电镜照片(图4)。 从图4可以清晰地看到，振动时效前试样内部的位错组态呈线条状并有轻微缠结状分布。振动时效后位错组态的缠结和网状化程度明显增加，表明振动时效后位错密度有所增加[5]。 2分析与讨论 2.1振动时效调整残余应力的本质[4] 在试件的高残余应力区，激振动应力与试样中残余应力叠加，使金属晶体产生位错运动，内部产生微观塑性变形，高残应力得以释放，达到调整和均化残余应力的目的[6]。振动时效的过程，实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、积塞和缠结的过程[7]。振动时效提高金属构件抗变形能力，稳定构件加工尺寸等效果，从本质上说，都是由于位错积塞、缠结和网状化程度增大，同时位错密度变化的结果，即经过振动时效后金属内部晶体的位错积塞、缠积和网状化程度增大，同时位错密度增加，这些就是振动时效调整残余应力的本质。 2.2振动时效提高焊件疲劳寿命的机理分析 疲劳破坏的过程分为三个阶段，即裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段和瞬时断裂阶段。试件的疲劳寿命(N)主要由裂纹萌年寿命(No)和裂纹扩展寿命(Nf)两部组成，即N=No+Nf。 疲劳裂纹的萌生总是先在应力最高、强度最弱的基体上形成。裂纹萌生的过程，首先在应力最大点处产生局部的塑性变形(范性流变)，形成很小的散布于弹性介质的塑性核，塑性核处于弱性介质传递到核上的交变载荷的影响之下，由于交变载荷的作用，使滑移带沿着滑移而产生滑移，滑移带被晶界(或其它障碍)阻挡，积塞的位错所引起的应力集中，促使裂口成核，萌生裂纹。 试件经振动时效处理后，由于高残应力的降低，应力分布的均化，减小了应力集中的影响；另外，由于位错积塞、缠结和网状化程度的增大及位错密度的增加，使滑移带滑移、受阻、积塞更加困难，从而延缓了疲劳裂纹的成核时间，使裂纹萌生寿命(No)增大。 疲劳裂纹萌生后，进入裂纹扩展阶段，即微裂纹扩展和宏观裂纹扩展阶段，在裂纹扩展的第一阶段，裂纹在交变应力的持续作用下，裂纹尖端将沿着与应力轴成45°方向的滑移面扩展；裂纹在扩展的第二阶段为正向扩展阶段，在交变应力作用下，裂纹与应力轴成90°方向扩展。 振动时效一方面调整和均化了残余应力，有效地消除了应力集中的影响，减弱了使位错滑移的驱动力。另一方面，由于位错组态变化和位错密度增加，使滑移运动阻力增大，提高了临界强度因子(KO)值，使裂纹扩展所需能量增大，有利于延缓裂纹的扩展。此外，平均应力等因素对裂纹扩展也有影响，振动时效起到了降低平均应力的作用。从而降低了裂纹扩展速率，综合作用的结果将使裂纹扩展寿命(Nf)增加。 3结论 (1) 在给定条件下，振动时效后焊件的疲劳寿命增加：横向试件提高43.2%，焊缝试件提高50.3%，近焊缝区纵向试件提高21.1%。 (2) 振动时效作为一种疲劳载荷，虽然也会造成一定程度的疲劳损伤，但其影响较小。只要选择合适的动应力，由于其对残余应力有效的调整和均化作用[9]，且改变了晶体中位错组态和位错密度，能够较明显地提高焊件的疲劳寿命。 (3) 振动时效提高焊件疲劳寿命的本质在于，振动时效使试件内部晶体的位错组态发生了变化，形成了位错的积塞和缠结，同时位错密度增加，不仅延缓了疲劳裂纹的萌生寿命，而且降低了微观裂纹向宏观裂纹扩展的速率，提高了裂纹扩展寿命，因而，振动时效能提高焊件的疲劳寿命。 参考文献 [1] 李洪升，孙上华等.振动消除残余应力的研究.石油化工设备，1986，(10)：12-14. [2] Wozney G P，Crawmen，An Investigation of Vibratinal Stress Relief in Steel．Welding Research Srpplement，1968,411-419. [3] Strachan R W.Report On the Efficiency Of Vibratinal Stress Relief．General Dynamics-Electroc Boat divition Report,1968,V413-68-059. [4] 宋天民，张国福，尹成江.振动时效机理的研究.吉林大学自然科学学报，1995，(1)：53-56. [5] 费广涛，朱震刚.铝在循环应变下的超声衰减和位错组态的电镜观察.内耗与超声衰减第三次全国固体内耗与超声衰减学术会议论文集，1992,24-25. [6] 房德馨，孙丰华，贾阿兴等.金属的残余应力与振动处理技术.大连：大连理工大学出版社，1989,145- 149. [7] 焦馥杰，茅鹏，沈瑜书.振动时效机理研究.上海工程技术大学学报，1991，(2)：1-6. [8] 冯端，王业宁，邱第荣等.金属物理(下册).北京：科学出版社，1975,767-770. [9] Hirth J P，Introduction to the Viewpoint Set on the Cold Work Peak．Scripta Met，1982，16(2)：221-223.(end)

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