超聲沖擊對SMA490BW耐候鋼焊接接頭疲勞性能的影響研究

超聲沖擊對SMA490BW耐候鋼焊接接頭疲勞性能的影響研究SMA490BW作為高強鋼已被用于列車轉(zhuǎn)向的構(gòu)架上,轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架焊趾處的應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力等不利因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架焊接接頭處首先出現(xiàn)疲勞裂紋,隨著這些裂紋不斷的擴展最終導(dǎo)致焊接構(gòu)架的失效,大大降低了列車轉(zhuǎn)向架的疲勞壽命,故焊趾是焊接件承載能力的薄弱環(huán)節(jié)。超聲沖擊處理是一種通過細化金屬表層晶粒,增加表面硬化程度,減少材料中存在的缺陷以及在表層引入有益的殘余壓應(yīng)力來提高金屬結(jié)構(gòu)件性能的表面強化技術(shù)。該技術(shù)以超聲波為動力源,利用其高頻、高能的特點沖擊金屬表面,使表層產(chǎn)生強烈的塑性變形,晶粒細化至納米量級,從而改善金屬表面的性能。本文采用超聲沖擊槍對SMA490BW耐候鋼十字焊接接頭進行沖擊處理,并研究沖擊處理對此類鋼種的十字焊接接頭的疲勞性能影響。采用德國卡爾蔡司生產(chǎn)的ZEISSΣIGMA型熱場發(fā)射掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌。通過透射電鏡觀察不同沖擊參數(shù)的焊趾表面的微觀組織,并對焊趾表面的硬度和變形層的厚度進行了分析。疲勞試驗結(jié)果表明超聲沖擊前后試樣發(fā)生疲勞斷裂的位置均在焊趾處,十字焊接接頭的焊趾處無論沖擊與否仍是整個試樣最薄弱的位置;雖然沖擊處理不能改變十字焊接接頭疲勞斷裂的位置,但經(jīng)過超聲沖擊處理的試樣其疲勞壽命能夠獲得很大的提高。以2×106循環(huán)周次下的應(yīng)力表征焊接接頭的條件疲勞極限,則焊態(tài)試樣的條件疲勞極限為165.96MPa;沖擊態(tài)試樣的條件疲勞極限為219.28MPa,對比可知經(jīng)超聲沖擊處理后SMA490BW耐候鋼十字焊接接頭的條件疲勞強度提高了32.13%。超聲沖擊處理對焊接十字接頭試樣的應(yīng)力集中系數(shù)影響較大,在沖擊10min后應(yīng)力集中系數(shù)Kt從3.09降為1.86,后維持在1.85左右。雖然沖擊處理能夠降低應(yīng)力集中系數(shù)Kt,但不能改變應(yīng)力集中的位置,最大應(yīng)力仍在焊趾處。超聲沖擊處理對金屬表面形貌影響也很大,隨沖擊時間增加所獲得的凹陷深度與過渡圓弧半徑均隨之增大,但是焊趾表面形貌變化率逐漸減小。凹陷深度h由0.5mm增大到1.2mm時,Kt在1.8~2.0之間變化;而過渡圓弧半徑r由2.0mm增為4.5mm時,Kt由2.2變?yōu)?.6。過渡圓弧半徑r與凹陷深度h相比,前者對焊接十字接頭試樣的應(yīng)力集中系數(shù)Kt影響更大。疲勞裂紋的萌生一般發(fā)生在駐留滑移帶(PSB)、晶界或?qū)\晶界、表面夾雜物或第二相界。操作不當或者過渡的超聲沖擊處理可能在焊趾表面形成嚴重的“旋型缺陷”,從而導(dǎo)致原始裂紋形成,極大的縮短了裂紋形成進而擴展的第一階段的周期。焊態(tài)試樣的裂紋從材料表面萌生,裂紋源數(shù)量不止一個;沖擊態(tài)試樣的裂紋源數(shù)量也較多,其主要萌生于試樣的次表面或經(jīng)超聲沖擊處理產(chǎn)生的缺陷處。焊態(tài)試樣和沖擊態(tài)試樣在裂紋擴展區(qū)形成明顯的撕裂棱和二次裂紋,在部分試樣的斷口上還可以發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋和解理臺階,裂紋擴展形式是穿晶解理的形式。焊態(tài)試樣和沖擊態(tài)試樣在裂紋擴展末期發(fā)生塑性斷裂,瞬斷口面上有大量的斷裂韌窩,且韌窩以等軸韌窩為主。超聲沖擊處理對試樣的表面形貌影響很大,經(jīng)處理后的試樣表面發(fā)生嚴重的塑性變形,部分試樣表面會形成旋型組織,疲勞裂紋通常在此處產(chǎn)生。在15min內(nèi)焊趾區(qū)塑變層厚度受沖擊時間較大,沖擊時間在25min時變形層的厚度最大達到約為320μm,但在沖擊處理后期沖擊時間對變形層的厚度影響減弱。超聲沖擊處理能夠細化材料表面的晶粒,有些材料的細化程度甚至能夠達到納米級。晶粒細化的原因與沖擊過程中高密度位錯墻的形成、湮滅和重排有關(guān)。超聲沖擊處理后材料表面硬度能夠得到較大的提高,當沖擊時間為10min時的硬度約為220HV,相比母