超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头疲劳性能的影响研究

发布时间：2020-10-26 02:43

　　 SMA490BW作为高强钢已被用于列车转向的构架上,转向架焊接构架焊趾处的应力集中和残余应力等不利因素导致转向架焊接接头处首先出现疲劳裂纹,随着这些裂纹不断的扩展最终导致焊接构架的失效,大大降低了列车转向架的疲劳寿命,故焊趾是焊接件承载能力的薄弱环节。超声冲击处理是一种通过细化金属表层晶粒,增加表面硬化程度,减少材料中存在的缺陷以及在表层引入有益的残余压应力来提高金属结构件性能的表面强化技术。该技术以超声波为动力源,利用其高频、高能的特点冲击金属表面,使表层产生强烈的塑性变形,晶粒细化至纳米量级,从而改善金属表面的性能。本文采用超声冲击枪对SMA490BW耐候钢十字焊接接头进行冲击处理,并研究冲击处理对此类钢种的十字焊接接头的疲劳性能影响。采用德国卡尔蔡司生产的ZEISSΣIGMA型热场发射扫描电镜观察疲劳断口形貌。通过透射电镜观察不同冲击参数的焊趾表面的微观组织,并对焊趾表面的硬度和变形层的厚度进行了分析。疲劳试验结果表明超声冲击前后试样发生疲劳断裂的位置均在焊趾处,十字焊接接头的焊趾处无论冲击与否仍是整个试样最薄弱的位置;虽然冲击处理不能改变十字焊接接头疲劳断裂的位置,但经过超声冲击处理的试样其疲劳寿命能够获得很大的提高。以2×106循环周次下的应力表征焊接接头的条件疲劳极限,则焊态试样的条件疲劳极限为165.96 MPa;冲击态试样的条件疲劳极限为219.28 MPa,对比可知经超声冲击处理后SMA490BW耐候钢十字焊接接头的条件疲劳强度提高了32.13%。超声冲击处理对焊接十字接头试样的应力集中系数影响较大,在冲击10min后应力集中系数Kt从3.09降为1.86,后维持在1.85左右。虽然冲击处理能够降低应力集中系数Kt,但不能改变应力集中的位置,最大应力仍在焊趾处。超声冲击处理对金属表面形貌影响也很大,随冲击时间增加所获得的凹陷深度与过渡圆弧半径均随之增大,但是焊趾表面形貌变化率逐渐减小。凹陷深度h由0.5mm增大到1.2mm时,Kt在1.8~2.0之间变化;而过渡圆弧半径r由2.0mm增为4.5mm时,Kt由2.2变为1.6。过渡圆弧半径r与凹陷深度h相比,前者对焊接十字接头试样的应力集中系数Kt影响更大。疲劳裂纹的萌生一般发生在驻留滑移带(PSB)、晶界或孪晶界、表面夹杂物或第二相界。操作不当或者过渡的超声冲击处理可能在焊趾表面形成严重的“旋型缺陷”,从而导致原始裂纹形成,极大的缩短了裂纹形成进而扩展的第一阶段的周期。焊态试样的裂纹从材料表面萌生,裂纹源数量不止一个;冲击态试样的裂纹源数量也较多,其主要萌生于试样的次表面或经超声冲击处理产生的缺陷处。焊态试样和冲击态试样在裂纹扩展区形成明显的撕裂棱和二次裂纹,在部分试样的断口上还可以发现疲劳辉纹和解理台阶,裂纹扩展形式是穿晶解理的形式。焊态试样和冲击态试样在裂纹扩展末期发生塑性断裂,瞬断口面上有大量的断裂韧窝,且韧窝以等轴韧窝为主。超声冲击处理对试样的表面形貌影响很大,经处理后的试样表面发生严重的塑性变形,部分试样表面会形成旋型组织,疲劳裂纹通常在此处产生。在15min内焊趾区塑变层厚度受冲击时间较大,冲击时间在25min时变形层的厚度最大达到约为320μm,但在冲击处理后期冲击时间对变形层的厚度影响减弱。超声冲击处理能够细化材料表面的晶粒,有些材料的细化程度甚至能够达到纳米级。晶粒细化的原因与冲击过程中高密度位错墙的形成、湮灭和重排有关。超声冲击处理后材料表面硬度能够得到较大的提高,当冲击时间为10min时的硬度约为220HV,相比母材硬度的170HV更高,而当超声冲击时间达到25min时,此时的硬度值约为340HV,随着冲击时间的增加,焊趾表面的热影响区的硬度也随之增加,但增幅慢慢变小。
【学位单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG457.11
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
    1.2 超声冲击技术的发展
    1.3 超声冲击仿真的研究现状
    1.4 超声冲击焊接接头疲劳性能研究现状
    1.5 列车转向架焊接接头的国内外研究现状
    1.6 本课题研究的主要内容和重点
第二章 试验方案及原理
    2.1 试验方案
    2.2 超声冲击设备的结构和工作原理
        2.2.1 超声冲击设备的结构
        2.2.2 超声冲击技术的工作原理
第三章 十字焊接接头应力仿真及疲劳试验
    3.1 仿真条件
    3.2 仿真结果及分析
        3.2.1 表面冲击凹陷深度的分析
        3.2.2 冲击后的焊趾过渡圆弧半径分析
        3.2.3 应力集中系数计算结果及分析
    3.3 疲劳试验材料
    3.4 试验结果
        3.4.1 疲劳试验结果分析
    3.5 本章小结
第四章 疲劳裂纹的萌生及扩展分析
    4.1 疲劳裂纹的萌生分析
        4.1.1 类型Ⅰ：驻留滑移带（PSB）
        4.1.2 类型Ⅱ：晶界或孪晶界
        4.1.3 类型Ⅲ：表面夹杂物或第二相界
    4.2 疲劳裂纹的扩展分析
    4.3 超声冲击对裂纹形成影响
    4.4 本章小结
第五章 疲劳断口及表面晶粒细化分析
    5.1 SMA490BW耐候钢焊态疲劳断口分析
        5.1.1 焊态裂纹源区的形貌
        5.1.2 焊态扩展区的形貌
        5.1.3 焊态瞬断区的形貌
    5.2 SMA490BW耐候钢冲击态疲劳断口分析
        5.2.1 冲击态裂纹源区的形貌
        5.2.2 冲击态扩展区与瞬断区
    5.3 焊趾区变形层的厚度
    5.4 冲击态焊趾区的高倍显微组织结构
    5.5 焊趾热影响区的显微硬度
    5.6 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 主要工作回顾
    6.2 本论文今后进一步研究方向
参考文献
个人简历 在读期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2856369