2205双相不锈钢焊接结构疲劳裂纹扩展速率研究
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王智祥;张鑫;张继祥
ctor【摘 要】Take standard SE( B) as a sample, the fatigue crack growth behavior of weld metal (WM) , heat affected zone ( HAZ) and ba metal ( BM) of Duplex Stainless Steel 2205 were tested on PLG-200 fatigue testing machine under different stress ratios. Through regression analysis of experimental data, the regression equation and the curve of the propagation rate da/dN and the stress intensity factor AK were obtained. The results show that the fatigue crack growth rate of WM is the slowest and the ability to resist fatigue crack growth is the highest in the three parts while BM is just the opposite. Secondly, as for the nsitivity to the stress change, WM is the highest, then HAZ, and BM is the lowest.%在不同应力比R下,采用标准SE(B)试样,在PLG -200高频试验机上对2205双相不锈钢的焊缝(WM)、热影响区(HAZ)和母材(BM)进行疲劳裂纹扩展速率试验,获得了2205双相不锈钢在各种应力比下的回归方程和扩展速率da/ dN与应力强度因子△K的关系曲线.结果表明:2205双相不锈钢焊接结构中焊缝裂纹扩展速率最低,抗疲劳裂纹扩展能力
最高；母材疲劳裂纹扩展速率最高,抗疲劳裂纹扩展能力最差；焊缝对应力变化的灵敏度最高,热影响区次之,母材最弱.
【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》
thf【年(卷),期】2011(030)004
【总页数】5页(P880-884)
【关键词】双相不锈钢;焊接结构;疲劳裂纹扩展
【作 者】王智祥;张鑫;张继祥
【作者单位】重庆交通大学船舶工程中心,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074
【正文语种】幻术家中 文
【中图分类】TG407
实习医生格雷第九季2205双相不锈钢具有优良的综合性能，如强度高、低温韧性好、抗疲劳强度高、对应力腐蚀裂纹不敏感等，焊接成形性能优良，在国内外大量应用于船舶、锅炉、管道等领域被大量运用［1-6］。尤其在化学品船舶制造中的表现优良，如重庆川东造船厂采用国产2205双相不锈钢制造的化学品船，优异的防腐蚀能力，可以承载几百种化学品。然而，焊接接头部位是工程结构的薄弱环节，2205双相不锈钢焊接接头性能尤其是焊缝及热影响区疲劳性能及抗裂纹扩展性能对船体整体性能至关重要，因此展开双相不锈钢焊接接头性能的研究对船体安全性尤为关键［7］。申艳丽［8］采用等离子弧焊，研究了 2025 双相不锈钢的焊接性，并对焊后固溶处理与未进行固溶处理的焊件组织特征、力学性能及抗腐蚀性进行了比较，研究了不同焊接热输入和固溶处理工艺对焊接接头综合性能的影响;金晓军，等［9］对2205双相不锈钢管道接头环焊缝残余应力进行有限元数值模拟，得到了内外表面残余应力的分布规律，并研究了不同的焊接线能量、管内径与壁厚比值和多层焊对焊接残余应力的影响;王智祥，等［10-11］对2205双相不锈钢焊接结构的应力与变形进行了较为深入的研究，得到了焊接应力与变形的分布规律，并通过神经网络、SVM等仿真方法对焊接结构的应力与变形做出了预测。但是，在船舶的使用中，单独的考虑应力与应变对焊接结构的影响还是不够充分的，当船体出现疲劳裂纹后，结构的承载能力如何变化，这对结
构的安全性更具有实际的意义。因此，系统而深入地研究该2205双相不锈钢焊接结构疲劳裂纹扩展及其规律，对于把握其裂纹扩展速率，准确预测其焊接结构的疲劳寿命，防止特种化学品船破坏、失效事故的突然发生，有着较大的理论意义和实用价值。笔者利用高频疲劳试验机对2205双相不锈钢的母材、焊缝、热影响区的疲劳裂纹扩展速率进行了实验研究，获得不同位置的关系曲线，并对各个位置的抗疲劳裂纹扩展性能以及对应力比的敏感程度进行比较分析。
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1 实验材料与实验方法
1.1 实验材料
太原钢铁厂生产的船用2205双相不锈钢的主要化学成分如表1。
表1 2205双相不锈钢主要化学成分Tab.1 Main chemical compositions of 2205 duplex stainless steel /%元素C Si Mn Cr Ni Mo N Fe含量0.03 1.00 2.0022.005.00 3.20 0.1866.86
所用E 2209焊丝由川东造船厂提供，其主要成分如表2。
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表2 E 2209焊丝主要成分Tab.2 Main chemical compositions of E 2209 Wire /%元素 含量 元素 含量C 0.04 Mo 2.50 ～3.50 Si 0.90 N 0.08 ～0.20 Mn 0.50 ～2.00 Cu 0.75 Cr 21.50 ～23.50 Fe 58.61 ～65.23 Ni 8.50 ～10.50
1.2 实验方法
1.2.1 板材对焊
将2205双相不锈钢板材加工成V型坡口(图1)，在国营川东造船厂焊接实验室采用NB-500 IGBT型CO2气体保护焊机进行多层平焊。焊接参数为:层间温度为150～250℃，焊接电流125～135 A，电压24.5 ～25 V，焊速10 ～12 mm/s。
perform的过去式
图1 V型坡口试样Fig.1 Shape and size of welded groove
1.2.2 疲劳裂纹扩展试验
1)试样的制取
将焊接后的板材在焊缝、热影响区及母材上取材，加工成标准SE(B)试样，如图2。然后将
试样的表面磨光，并从切口顶端沿切口延伸线每隔1 mm画刻度线，方便之后疲劳裂纹长度的测量。
图2 试样尺寸Fig.2 Size of sample
2)实验设备
实验在PLG-200高频疲劳试验机上进行，该型号高频试验机最大负荷量程为500 kN，由微机控制，主要用于测定正弦波载荷下的板材、链条、齿轮(弯曲)、连杆、操作关节、紧固件、螺旋运动件等拉压、三点弯曲、四点弯曲、交互复合弯曲疲劳和齿轮疲劳。试样采用FWDH8标准三点弯曲夹具进行装夹。
3)实验过程
选取了应力比 R 为0.1，0.3，0.6 三种应力比工况进行试验，最大载荷选取17 kN，加载频率控制在101.5 ～108 Hz，如表 3。
表3 疲劳实验方案Tab.3 Fatigue test plan试件类型 应力比R 最大载荷/kg 最小载荷/kg母材(
BM)0.1 1 700 170 0.3 1 700 510 0.6 1 700 1 020热影响区(HAZ)0.1 1 700 170 0.3 1 700 510 0.6 1 700 1 020焊缝(WM)0.1 1 700 170 0.3 1 700 510 0.6 1 700 1 020
在实验过程中逐一记录裂纹长度ai(i=1，2，3，...，n)及相应的载荷循环次数 Ni(i=1，2，3，...，n)，其中裂纹长度 ai(i=1，2，3，...，n)采用JC-10型20倍放大显微镜结合刻度线进行测量，载荷循环次数Ni由试验机自动记录，记录值随时标在坐标纸上。当裂纹扩展到24～28 mm时停止实验。
2 试验数据处理及结果分析
参考GB/T 6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》［12］，扩展速率da/dN由一组对应的裂纹长度a和循环数N值采用多点递增法求得。应力强度因子ΔK则按式(1)计算［12］:汉堡包用英语怎么写
式中(a为裂纹长度，mm;W为试件高度，mm);ΔP为试件加载范围，N;B为试件宽度，mm。
2.1 2205双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率回归分析
分别在应力比 R 为 0.1，0.3，0.6 三种工况下进行试验并随时记录数据，然后对3组数据进行线性回归分析，其线性回归结果如表4。
由表4可见，当 R=0.6时，材料常数 C、n在一个量级上，说明母材，热影响区以及焊缝的疲劳裂纹扩展速率基本是一致的，处于同一个水平上。而当R=0.1，0.3 时，材料常数 C、n 出现明显的差别。尤其常数C的变化，已经跨越了几个量级。这说明了在R=0.1，0.3时，3个位置的疲劳裂纹扩展速率有着较明显的差别，并且随着应力比的减小，这种差别越明显。
表4 三种应力比下疲劳裂纹扩展速率回归分析结果Tab.4 Regression analysis of fatigue crack behavior in three stress ratio试件类型 应力比R C n 5.720 6E-06 3.106 3 0.919 86热影响区 0.1 5.224 7E-08 2.209 4 0.924 21焊缝 5.599 6E-10 2.036 9 0.937 62母材 5.987 3E-06 2.948 2 0.924 37热影响区 0.3 1.979 4E-07 1.873 3 0.929 16焊缝 1.426 8E-08 1.876 2 0.911 27母材 6.563 8E-06 3.200 9 0.920 79热影响区 0.6 4.099 7E-06 0.864 5 0.920 36焊缝相关系数母材3.828 9E-06 1.198 9 0.873 47
2.2 2205双相不锈钢母材的疲劳裂纹扩展速率
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为了对2205双相不锈钢焊接结构中母材处的疲劳裂纹扩展速率变化进行比较，分别作出在同一载荷、不同应力比下的曲线。曲线如图3。
图3 母材疲劳裂纹扩展速率Fig.3 Fatigue crack behavior of BM
三种应力比下对母材的疲劳裂纹扩展速率进行回归分析，其回归方程如下:
可以看出，2205双相不锈钢随着应力比的增加，疲劳裂纹扩展的速率随之增加，这与疲劳裂纹扩展的基本理论［13-14］相一致，但增加量并不明显，基本维持在一个相同的速率水平上，如ΔK为20和40的时候，da/dN的取值几乎是相同的。同时，这也说明2205双相不锈钢母材的裂纹扩展速率对应力比的变化并不敏感，母材的疲劳裂纹在应力发生变化时扩展仍会维持在一个比较稳定的状态，不会有过大的起伏。
2.3 2205双相不锈钢热影响区的疲劳裂纹扩展速率
图4为热影响区的曲线，其回归方程如下:
