英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

再超声冲击处理对S690QL焊接接头疲劳行为的影响

关键词：再超声冲击治疗;焊接接头;疲劳;残余压力;超声波冲击损坏

概述

本实验研究了S690QL十字形焊接接头在两种UIT间不同疲劳循环间隔情况下, 再超声冲击处理其疲劳寿命的影响。 测定了疲劳寿命，残余应力，拍摄了试样横截面的SEM显微照片和疲劳断裂的照片。 疲劳测定结果表明，当两个UIT之间的疲劳循环间隔合适时，重新UIT增加了总疲劳寿命， re-UIT对疲劳寿命产生的残余应力在室温下的贡献并不显着。 用光学显微镜和扫描电子显微镜确认UIT引起的损伤。 考虑到UIT可以封闭裂缝，重新UIT对疲劳寿命的影响很大程度上取决于闭合裂缝的作用与新损伤的形成过程之间的竞争。

2014 Elsevier Ltd.保留所有权利

1. 简介

疲劳断裂是实际工程中的主要失效形式之一。 对于大多数结构和设备，制造结构中最薄弱的部分是循环加载过程中的焊接接头。 焊缝代表全局应力集中区，通常具有高拉伸残余应力的性能。 由于这些原因，焊接结构中的疲劳裂纹通常在结构的早期使用寿命中传播[1]。

机械表面处理，例如深轧，喷丸和激光冲击喷丸，可以对金属表面产生多种有益效果，并通过改善抗疲劳裂纹萌生和扩展的抗性来增强疲劳性能[2-5]。最初在前苏联造船业开发的超声波冲击处理（UIT）可以减少焊接残余应力和变形，在疲劳关键位置引入压缩残余应力，提高焊接接头的腐蚀疲劳强度，并提高零下的抗疲劳性[ 6]。 Mordyuk等人 [7]研究了超声波冲击过程（UIP）和激光冲击强化（LSP）在没有保护和限制介质的情况下对奥氏体不锈钢近表层微观结构，显微硬度和残余应力的影响AISI 321，发现比UIP产生的亚表面层厚10倍，比LSP产生的硬度大1.4倍。 Turski等人 [8]比较了四种机械表面处理（喷丸强化，激光冲击强化，UIT和水射流空化喷丸）的优点，它们对表面粗糙度，微观结构，塑性加工水平，残余应力分布和厚度的影响。 Berg-Pollack等人 [9]发现UIT通过显着改变材料的微观结构，孔隙率和硬度，能显示出有提高结构耐久性和安全性以及节省铸铝材料生产中材料的巨大潜力。 2010年，Yin老师等人 [10]研究了超声喷丸处理焊接接头的断裂机理。赵老师等人 [11]通过S-N曲线研究焊接接头的疲劳行为。 2011年，研究了超声喷丸搅拌摩擦焊接件的疲劳性能[12]。阿卜杜拉等人 [13]报道超声波喷丸处理导致焊趾的几何修改和应力集中区应力集中的减少，超声波喷丸处理封闭了裂缝和空隙，从而提高了疲劳强度。

本实验有意义的是确定重新UIT是否可以延长UIT在室温下使用的焊接结构的使用寿命。 如果重新使用UIT可以延长使用寿命，那么超过原始设计寿命的焊接部件可以在重新使用后安全使用。 re-UIT的这种应用将带来可观的经济和社会利润。 表面机械强化技术引起的压缩残余应力对提高焊接部件的疲劳寿命起着重要作用。 许多学者观察到疲劳循环载荷会导致机械残余应力松弛[14-16]，并降低表面机械强化技术对疲劳性能的改善效果[17,18]。

此外，还有必要探讨是否存在重新UIT影响焊接部件的疲劳寿命的另一种机制。 本文旨在研究UIT和re-UIT对S690QL焊接接头残余应力，轴向疲劳行为和断口形貌的影响。

1. 测试材料和方法

疲劳试样的几何特征如图1a所示。 试样为FCAW制备的十字形接头，S690QL钢基材和FabCO XTREME 120 E121T5-GC H4焊接材料。 基材和焊接材料的化学组成和机械性能分别列于表1和2中。 焊接参数见表3。

半波长UIT设备由两部分组成：超声波频率发生器和超声波冲击枪，如图1b所示。 针的直径和长度分别为4毫米和30毫米。 针尖的半径为2毫米。 具体操作包括三个步骤， 首先，超声波冲击枪指向试样的焊趾基本垂直方向。 其次，沿焊缝布置冲击针。 第三，为了引导UIT，冲击枪略微受压。 为了获得焊趾的平滑过渡剖面，处理参数设定如下：频率20kHz，振动幅度30lm，处理速度1.0-1.5m / min，焊接处理覆盖率300％。

UIT或re-UIT处理的S690QL十字形焊接接头的疲劳寿命在恒定载荷范围内测量，室温下空气中应力比R = 0.5，Dr = 200MPa。 疲劳试验样品分为两组。 在第I组中，标本用单个UIT处理， 根据95％的存活分数和75％的置信水平计算疲劳寿命。 在第II组中，在每次加载后通过re-UIT处理样品50％的疲劳寿命，其在组I中计算。在相同条件下进行Re-UIT和单UIT， 在300 kN高频疲劳试验机上完成疲劳试验。

为了研究UIT处理的焊趾的机械残余应力松弛，在深度方向上测量了下列六个试样的残余应力：（A）UIT试样; （B）UIT标本 1循环加载; （C）UIT试样 5次循环加载; （D）UIT试样 10次循环加载; （E）UIT试样 74000次循环加载; （F）UIT标本 74000次循环加载 重新UIT。 上述循环加载在室温下在空气中在应力比R = 0.5和Dr = 200MPa的条件下完成。 根据sin2w方法，通过标准X射线衍射技术进行所有残余应力测量， 通过电解抛光去除材料获得深度分布。

用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM，HITACHI S4800）观察UIT或re-UIT处理的焊趾的微观结构。 用SEM检查疲劳断裂表面。

图1.（a）十字形焊缝试样（mm）和（b）UIT设备的几何特征

3.结果

3.1 疲劳寿命

施加到试样的载荷是标称应力范围。 由于十字形接头中存在角度不对准和轴向错位，因此轴向加载接头的不对准导致由于二次壳体弯曲应力的发生而导致焊接接头中的应力增加， 应使用焊趾的结构应力范围来处理疲劳数据。

结构应力范围Drstruc表示为

Drstruc frac14; km Dr; eth;1THORN;

其中Dr是疲劳试验中的标称轴向应力范围; Dr = 200 MPa; km是应力放大系数。

在同时发生线性和角度不对准的情况下，应根据等式1计算应力放大系数。 （2）[19]：

km frac14; 1 thorn; eth;km;axial 1THORN;thorn;eth;km;angular 1THORN;: eth;2THORN;

其中km，轴向是轴向不对中的应力放大系数; km，角度是角度不对准的应力放大系数。 公里，轴向和公里，角度是从参考。[19]。 根据计算结果，每个试样的结构应力范围是不同的（见图2），尽管每个试样的标称应力范围是相同的。

图2a显示了通过re-UIT处理的S690QL十字形焊接接头的疲劳寿命和通过单个UIT（re-UIT样品）处理的样品的S-N曲线。 通过re-UIT（re-UIT标本）处理的大多数样本的疲劳寿命高于单个UIT处理的样本。 但是，重新UIT不会对所有标本产生有益效果。 在图2中，横轴表示在实验中测量的试样的疲劳寿命，纵轴表示根据等式1计算的结构应力范围Drstruc。（1）。

基于单个UIT处理的试样的S-N曲线，可以在其实际结构应力范围内计算单个UIT下每个再UIT试样的预期总疲劳寿命（N）。 然后还计算了在相应应力下两个UIT之间的疲劳循环间隔在总疲劳寿命（N）中的百分比。 在实际结构应力下，re-UIT试样的疲劳寿命在总疲劳寿命中的百分比如图2b所示。 当两个UIT之间的疲劳循环间隔超过N的30％时，re-UIT试样的疲劳寿命长于单个UIT试样的疲劳寿命。 当两个UIT之间的疲劳循环间隔达到N的55％时，reUIT试样的疲劳寿命达到最大值。 当再UIT试样的疲劳寿命大于N的77％时，再UIT试样的疲劳寿命显着降低。

3.2 残余应力

根据UIT试样的残余应力分布（图3），UIT引起的压应力区扩展到约1200 lm的深度，最大压缩残余应力（约400MPa），而表面记录的应力约为350MPa。焊接结构的实际应力（实际）是所施加的应力（拉应）和焊接残余应力（rresidual）的组合，其与载荷无关。有助于疲劳裂纹发展的拉伸部分被定义为有效应力范围（rr; eff）。当焊后处理引起压缩残余应力时，拉伸残余应力和施加的拉应力可能会被消除或减少[20]。因此，最大拉应力延伸到表面下方约1600lm或更深的位置，引发疲劳裂纹更加困难。因此，UIT引起的压缩残余应力增强了焊接接头的疲劳寿命。

图3显示了在恒定载荷范围内不同循环和重新UIT后UIT试样的残余应力深度分布，室温下应力比R = 0.5和Dr = 200MPa。 考虑到测量误差，可以忽略不同测试条件下的残余应力差异。 在室温下疲劳加载和重新UIT后，S690QL十字形焊接接头的UIT试样未发现残余应力松弛和再分布。

4讨论

4.1 残余应力的重新分配

当外部应力和残余应力的组合在室温下超过材料的局部屈服强度[16,20]时，残余应力开始松弛。

图2.（a）UIT处理的样品的S-N曲线和re-UIT处理的样品的疲劳寿命;（b）重新UIT样品在预期的总疲劳寿命下压力范围的疲劳寿命百分比 。

由于试样内的残余应力处于平衡状态，UIT引起的表面高压残余应力导致试样内部的拉应力残余应力。 当表面压缩残余应力场面积相同时，内部拉伸残余应力的峰值随着内部拉伸残余应力面积的增加而减小。 在本文中，试样的厚度为12毫米，压缩残余应力场的厚度小于1.5毫米。 因此，大面积的内部拉伸残余应力降低了拉伸残余应力的峰值。 由于残余应力和外应力的组合不超过材料的局部屈服强度，没有观察到残余应力的明显松弛。 疲劳加载和重新加载后残余应力没有显着变化。 因此，残余应力对焊接部件的疲劳性能的影响不会改变。

在残余应力松弛的情况下，观察并详细描述了喷丸强化中碳钢的机械残余应力松弛[16]。 在第一循环中，宏观压缩残余应力大大减小。 虽然通过re-UIT重新分配焊趾处的宏观压缩残余应力，但残余应力的机械松弛也在随后的疲劳循环期间发生。 在下一个疲劳循环的第一个循环中，宏观压缩残余应力大大减小。 与两个UIT之间的疲劳循环间隔相比，可以忽略具有高宏观压缩残余应力的第一循环的寿命。

应注意，松弛后的残余应力会影响疲劳寿命。 因此，re-UIT引起的高宏观压缩残余应力对提高室温焊接接头疲劳寿命的贡献不大。

图3.不同测试条件下UIT试样的残余面内应力分布。

4.2 封闭裂缝

如图2b所示，当两个UIT之间的疲劳循环间隔合适时，re-UIT处理的样品的总疲劳寿命长于单个UIT样品在相应的实际应力范围内的总预期寿命。 可能的解释是，重新UIT在焊趾处的一定长度限制内闭合裂缝。 对于喷丸试样，在焊趾处发现了裂纹的闭合和曲率的改变[13]。 我们只通过破坏表面和近表面上的晶粒来封闭表面上的裂缝的一端。 因此，推断出在长的疲劳循环间隔之后，表面裂缝已经传播得如此之深以至于重新UIT不能完全封闭裂缝。

4.3 形成新的UIT伤害

Re-UIT在重新UIT期间产生了概率损伤。 图4a表明在表面下方约100lm的深度形成塑性流动。 由于晶粒细化主要由大的塑性变形决定，材料结构呈深度分级分布[21]。 此外，间隙将由UIT处理的金属分成两个独立的部分，间隙定义为折叠缺陷（图4a）。 由于UIT，间隙两侧的两个部分被挤压并相互接触。 特别地，外部部分是半剥离的硬化层。 两部分没有冶金结合， 尖端的应力集中系数非常大。 尖端是优选的疲劳裂纹萌生位置，如图4b所示。

根据UIT试样典型疲劳断裂面的SEM观察（图5a），UIT处理表面有一个约46 lm深的光滑区域，光滑表面与断裂面不平行。 该深度与图5b中的间隙的深度一致，因此光滑表面不是由疲劳传播形成，而是由UIT期间的挤压和塑性变形形成。 图5a中的平滑区域和粗糙区域之间的边界线对应于图5b中的尖端。 疲劳裂纹可能从平滑区域和粗糙区域之间的边界线（尖端，如图5b所示）开始。 另外，由于UIT，可以在试样表面上观察到毛刺（见图4a和5a）。

在UIT期间，折叠缺陷是由大的塑性变形形成的，这是由UIT引起的表面损伤。 主要过程包括以下步骤（见图6）。 首先，当冲击针撞击试样表面时，形成中心的凹坑和冲击区外侧的毛刺， 利用有限元模型研究了UIT诱导的AISI 304不锈钢的塑性损伤[22]。 结果表明，UIT过程中的破坏区域呈环状，凹陷中心不受影响。 然后，当冲击针撞击下一个位置时，表面粘附毛刺发生在压痕中心，并且毛刺和基底金属之间的间隙被压入硬化层中。 间隙尖端形成在硬化层中并且是最可能的疲劳裂纹萌生区域。

图4. SEM显微照片：（a）具有UIT损伤的样品的横截面和（b）尖端的放大图

图5. SEM显微照片：（a）UIT试样的疲劳断裂表面和（b）具有UIT损伤的试样的横截面

图6. UIT期间表面损坏过程的示意图

图7.由UIT处理的焊趾的横截面金相图

4.4 裂纹传播路径

图7显示了疲劳循环中的裂纹传播路径， 疲劳裂纹首先沿间隙线增长。 然后，疲劳裂纹沿着另一条线传播，该另一条线垂直于加载方向。 证明了由UIT引起的折叠缺陷尖端是疲劳裂纹的起始区域。

重新UIT对疲

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[610219]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word