接头形式和外观质量对机车关键部件焊缝力学性能影响的研究

1、关于接头形式和外观质量对机车关键部件焊缝力学性能影响研究的调研报告摘要：16Mn钢是低合金高强钢中具有代表性的钢种类型，其屈服强度达到350Mpa，与一般的低碳钢相比提高了50%左右，结构重量也减轻了20%30%，因而是我国发现最早产量最大的钢种之一，因其具有较高的强度、良好的低温韧性、较好的焊接性能、较低的价格而广泛用于大型船舶，桥梁，铁路车辆，管道，压力容器，起重机械等各种焊接机构中。16Mn能被广泛的使用除了具有良好的综合机械性能，棱边性能外更主要的是具有优良的焊接性，这一钢种虽有十几年的生产历史,在疲劳、寿命等方面也做过很多工作, 但在目前生产中仍然存在着一些问题，比如低温疲劳裂纹起始

2、寿命，焊接件疲劳断裂，焊接气孔的产生等方面的问题还需要我们继续研究。关键词：16Mn钢性能影响因素1)16Mn钢焊接件疲劳断裂机制研究： 对16Mn 钢对焊接头的焊缝及热影响区中疲劳裂纹的萌生与扩展机理进行了研究与讨论。结果发现: 疲劳裂纹的萌生与扩展与铁素体组织有关, 焊接件疲劳断口很复杂, 焊缝中的夹杂物对疲劳裂纹的萌生有重要影响。对16Mn 钢焊缝及热影响区的疲劳试验表明: 疲劳裂纹的萌生与扩展与金属微观组织中的铁素体、共析组织与魏氏组织有关。大多数疲劳裂纹萌生于铁素体内, 少量与焊口处的夹杂、晶界、缺陷有关。铁素体组织和珠光体组织的显微硬度差别较大,铁素体的硬度、强度低, 容易产生滑移

3、变形。先共析铁素体的晶粒尺寸偏大,更有可能在其内部萌生疲劳裂纹。随着疲劳循环数的增大,有可能形成一些主导裂纹, 导致其扩展而最终失效。试样的断口分析表明: 两种试样在本质上均为解理断裂, 而解理裂纹的形核可以有不同形式。有人认为裂纹核心形成是由于滑移受到阻碍，有人则认为是由于位错的塞积, 还有认为是由于基体的塑性变形,使粒子开裂造成 。在焊接过程中,由于焊接本身的特点,在焊缝中会不可避免地存在多种夹杂物等的第二相粒子。当金属受外加载荷作用而发生变形时,这些脆性的第二相粒子不易变形,由于这种不谐调性以及脆性粒子对基体中位错移动的阻碍, 使位错在其周围集聚,而脆性的第二相粒子将不容许位错塞积的尖端

4、发生较大的应力松弛, 因此,在形变不协调造成的附加力及位错力的作用下, 第二相粒子与基体脱开或本身形成微裂纹,最终导致断裂。( 1) 16Mn 钢对焊接头处疲劳裂纹的萌生与扩展一般在铁素体内, 并存在着一定程度的择优取向。(2) 在疲劳断裂的各个阶段, 其断裂机制是变化的, 为沿晶和穿晶混合型断裂, 焊缝中的夹杂物对疲劳裂纹的萌生有重要影响。1)16Mn钢焊接气孔的防止： 气孔的危害： 焊接时熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴, 叫做气孔。气孔是焊接中常见的缺陷之一。气孔的存在首先影响焊缝的致密性(气密性和水密性), 其次将减小焊缝的有效面积。此外,气孔还将造成应力集中,显著降

5、低焊缝的强度和韧性, 对结构的动载强度有显著的影响。人们通过研究统计X射线探伤底片上的缺陷, 发现大多数都是气孔( 80%左右), 其次为夹渣、未焊透、裂纹。因此, 防止气孔是保证焊缝质量的主要内容,也是提高焊缝一次合格率的主要措施。气孔产生的原因： 构成气孔的气体,一是来自于周围介质,二是化学冶金反应的产物。按不同的来源, 气体可以分为两类: 一类是高温时能大量溶于液体金属, 而在凝固过程中溶解度突然下降的气体,如H2、N2; 另一类是在熔池进行化学冶金反应中形成而又不溶解于液体金属中的气体, 如CO、H 2O。焊接低碳钢和低合金钢时,形成气孔的气体主要是H2和CO,即通常所说的氢气孔和一氧

6、化碳气孔。氢气孔的主要来源是焊条药皮和焊剂中的有机物、结晶水或吸附水、焊丝与母材表面的油污、铁锈以及空气中的水分等, 在高温下分解产生H2,氢分子进一步分解为氢原子和离子。氢在液态金属中的溶解度很高, 在高温时熔池和熔滴就有可能吸收大量的氢。而当温度下降时,溶解度随之下降, 即熔池开始凝固后, 氢的溶解度要发生突变。随着固相增多,液相中氢的浓度必然增大, 并聚集在结晶前沿的液体中, 使其浓度升高处于过饱和状态,形成气泡。气泡长大到一定程度上浮,当气泡上浮速度小于结晶速度就形成氢气孔。不同处理工艺对16Mn 钢带组织和性能的影响在铁素体和马氏体两相组织的混合中,高强度马氏体能承受载荷的作用而柔软

7、的铁素体能够吸收马氏体的应变能,降低应力集中,提高钢的塑韧性。为此, 改变马氏体和铁素体两相组织的相对量、形态、大小和分布对调整16Mn钢带的强塑性,发挥材料潜力是有效的途径之一。1用中间或最终冷形变强化工艺对16Mn钢带的强度有较大的提高,而使延伸率的降低更为显著。2单一的低碳马氏体和单一的贝氏体组织均难以满足对16Mn钢带强塑性的要求。低碳马氏体组织适应超高强度和一般延伸率的需要,低碳贝氏体组织适应高延伸率和一般强度的要求。3.不同预处理方式对16Mn钢带亚温淬火后的强度影响较小,而对延伸率的提高较为显著。一次或二次预淬火后, 再经810830*90s 水淬和200*120s 低温回火,获

8、得各占50 % 左右细条状铁素体和马氏体的复相组织,其强塑性配合最佳, 满足了16Mn捆带性能的要求。4.亚温淬火之前的预处理,不仅使钢带的晶粒得到细化,而且为亚温淬火后铁素体和马氏体两相组织的形态和分布创造了有利条件,从而对延伸率的提高有着明显的效果。16Mn 钢低温疲劳裂纹起始寿命的定量预测在实际工程应用中有不少低合金钢结构在低温下使用,如液化天然气贮罐, 高寒地区露天服役的工程机械或结构等。低合金钢在低温下会发生疲劳裂纹扩展机制的韧脆转变,从而导致钢结构的疲劳裂纹扩展寿命急剧下降川。这样就使疲劳裂纹起始寿命成为低温构件寿命的主要部分。研究疲劳裂纹起始抗力在低温下的变化规律对于低温构件的选

9、用和寿命精确估算都是必要的。1. 当温度由298K 降至213K,16 Mn 钢的疲劳裂纹起始寿命提高。2. (1)可拟合室温和低温下的疲劳裂纹起始寿命实验结果.3. 16 M n 钢在不同温度下疲劳极限几。之间存在以下关系:4. 低温下16Mn钢的疲劳极限与比例极限近似相等。5. (2) 式是16Mn钢低温疲劳裂纹起始寿命通式.该式在疲劳裂纹起始机制韧脆转变温度以上适用。若材料在不同温度下的拉伸性能已经测定根据(2)式即可定量顶测低温疲劳裂纹起始寿命,并且不需要低温疲劳试验和经验修正。因此, 本文提出的方.法具有实际工程应用价值。 （1）式（2）式16Mn 钢焊接件疲劳断裂机制研究 对16M

10、n 钢对焊接头的焊缝及热影响区中疲劳裂纹的萌生与扩展机理进行了研究与讨论。结果发现: 疲劳裂纹的萌生与扩展和铁素体组织有关,焊接件疲劳断口很复杂,焊缝中的夹杂物对疲劳裂纹的萌生有重要影响。1 .16Mn钢对焊接头处疲劳裂纹的萌生与扩展一般在铁素体内,并存在着一定程度的择优取向。2 .在疲劳断裂的各个阶段,其断裂机制是变化的,为沿晶和穿晶混合型断裂,焊缝中的夹杂物对疲劳裂纹的萌生有重要影响。16Mn 钢的微动疲劳寿命研究了16Mn钢的微动夜劳机制和接触压力及微动疲劳循环周次等因素对16Mn钢疲劳寿命的影响,试图给出一个在长寿命范围内拟合微动瘦劳寿命曲线的表达式。1. 微动损伤,可使16Mn钢的疲

11、劳极限降至常规疲劳极限的23以下,但当N<3x 105周时, 微动疲劳强度几乎与常规疲劳强度相等。2 接触压力P< 10M Pa 时,16Mn钢的疲劳极限随P的增人近似呈线性规律下降; 当P>10MPa时疲劳极限与P无关。3 微动疲劳损伤效应以影响疲劳微裂纹的形成和裂纹的第1阶段扩展，当疲劳裂纹尺寸超出接触压力和表面摩擦力影响区之外时 微动疲劳损伤即达到饱和, 疲劳裂纹扩展转入第2阶段微动疲劳损伤对第2阶段疲劳裂纹扩展几乎没有影响在本试验条件下,16Mn钢微动疲劳裂纹由第l阶段向第2 阶段转变时的尺寸约为40-50um。4 16 M n 钢一钢摩擦副的微动磨损机制在初期主要以

12、脱层机制进行。随磨屑的增多和聚集磨料磨损逐渐占主导地位。5 金属材料的微动疲劳寿命曲线可用公式(1) 表示 公式（1）16Mn焊接裂纹的产生及预防分析了结构件中16Mn钢在焊接时产生裂纹的原因并提出了有效的预防措施产生焊接裂纹原因：1.1 焊接应力焊接过程中焊接接头区域受不均匀加热和冷却的作用，其膨胀和收缩受四周冷金属的约束不能自由进行因此产生焊接应力和焊接变形，钢板厚度越大，刚性越大焊后产生的应力就越大，当焊接应力足够大时，导致产生焊接裂纹，甚至造成脆断。1.2 焊缝坡口不合理，焊缝形状系数小窄焊缝时，柱状晶的交界在中心，有较多的杂质聚集在中心线附近，形成中心线偏析，容易产生热裂纹宽焊缝时杂

13、质聚集在焊缝的上部可避免出现中心线裂纹。1.3 焊接环境温度低1.4 焊接电流大，焊接速度快线能量E与焊接电流I 电弧电压U焊接速度V, 增加电流能增加线能量可降低产生结晶裂纹的可能. 但增加电流会增加熔深使焊缝成形不利而且还会使焊缝区晶粒长大,因此焊接电流不能大,焊接速度V大,线能量E减少,焊接变形就增大,产生结晶裂纹的倾向也大。1.5 焊接工艺不当焊接材料、焊前准备、焊接顺序均会影响焊缝质量,不严格控制会造成焊接裂纹。2 防止产生焊接裂纹的措施：2.1 选择合适的焊接材料2.2 坡口的加工2.3 从工艺方面减少焊接应力。（1）选择合理的焊接顺序。焊接顺序应尽量使焊缝的纵向收缩和横向收缩自由，不受较大拘束#拼板时，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。（2）锤击焊缝。每一道焊缝焊后应迅速锤击焊缝金属，使之延伸，降低残余应力。2.4 认真做好焊前准备工作（1） 焊条和焊剂在使用前要严格烘干，以去除药皮和焊剂中的水分。此外应清除焊丝和坡口及两侧母材的锈油和水减少氢的来源。（2）焊前预热，焊后缓冷，板厚大或低温下焊接时，应采取焊前预热，对不同温度的16Mn 钢焊件降低焊后冷却速度减少残余应力造成的