论文部分内容阅读
转向架焊接构架要求设计的疲劳寿命已达109周次,为了保证其在服役期间的安全性,有必要深入研究高速动车组转向架用SMA490BW钢焊接接头在107到109周次的超高周疲劳行为和断裂机制,超声冲击技术广泛应用于改善金属材料焊接接头的疲劳性能领域。本文研究了超声冲击对SMA490BW钢对接接头超高周疲劳性能以及疲劳失效机理的影响;从接头焊趾处的应力集中、残余应力场分布以及表层晶粒组织尺寸三个方面,探讨了超声冲击改善焊接接头疲劳性能的机理,重点研究了超声冲击表面纳米化机制。试验结果表明:(1)在加载频率为20kHz,应力比R为-1,即试样承受对称拉压载荷的情况下,SMA490BW钢母材S-N曲线方程为5 8lg N?60.386lg???159.226 10?N?4.85?10;焊态接头S-N曲线方程为当5 610?N?6.45?10时,lg N?7.250lg???22.543;而当6 86.45?10?N?7.86?10时,lg N?45.025lg???104.729;超声冲击态接头的S-N曲线方程为当5 610?N?4.86?10时,lg N?7.081lg???23.034;而当6 84.86?10?N?3.69?10时,lg N?57.110lg???138.822。(2)在65?10循环周次条件下,焊态接头的疲劳强度仅为母材的45.5%,冲击态接头的疲劳强度为206MPa,而焊态接头为153MPa,相比后表明,焊接接头经冲击处理后高周疲劳强度提高了34.6%。同理,在81?10循环周次下,冲击态接头的超高周疲劳强度为195MPa,与焊态接头的141MPa相比提高了38.3%。(3)在相同应力水平的条件下,冲击态接头的疲劳寿命明显比焊态接头长,240MPa应力水平下疲劳寿命提高了7倍;而在197MPa低应力水平下疲劳寿命提高了74倍,超声冲击可以大幅度延长SMA490BW钢焊接接头的疲劳寿命。(4)SMA490BW钢母材的疲劳断裂机制为准解理断裂。对于焊态及超声冲击态接头试样,其高周和超高周疲劳断口的裂纹源均大多位于焊趾表面的缺陷处,个别焊态试样的裂纹起源于焊接缺陷夹渣处,而少数冲击态试样的裂纹在内部夹杂物处萌生;裂纹扩展区均呈现清晰的解理河流花样,出现大量不规则的撕裂棱线条,同时伴有解理台阶和二次裂纹;瞬断区主要表现为大小不一的等轴韧窝形貌,表明准解理断裂仍为SMA490BW钢对接接头的断裂机制,超声冲击处理并不会改变焊接接头的高周和超高周疲劳失效机理。(5)焊态接头的裂纹扩展路径较为平直,而冲击态接头比较曲折,裂纹扩展过程中,均会出现裂尖钝化及分叉(二次裂纹)现象,均表现为典型的穿晶断裂,并伴有明显塑性变形的痕迹,超声冲击不会改变焊接接头的疲劳裂纹扩展机理。(6)SMA490BW钢焊态接头的应力集中系数为1.686,而冲击态接头为1.364,下降了19.1%。焊态疲劳试样的横、纵向残余应力依次为11.13MPa、20.32MPa;而冲击态疲劳试样为-40.46MPa、-23.59MPa,接头焊趾处的残余拉应力得到消除,并转变为有益的残余压缩应力。(7)SMA490BW钢焊接接头焊趾表面经超声冲击纳米化处理后,表面均产生明显的塑性变形,1.5A/10min、2.0A/5min、2.0A/10min、2.0A/20min冲击工艺参数下对应的变形层厚度依次为305μm、270μm、360μm、435μm。通过TEM观察发现,最表层晶粒均得到明显细化,可获得随机取向分布的纳米晶组织,晶粒的平均尺寸依次为80~100nm、120~150nm、50~70nm、20~30nm。(8)超声冲击诱导SMA490BW钢焊接接头焊趾表面晶粒纳米化包括以下几个过程:1、原始粗晶内形成大量的位错,位错间的相互作用(滑移、增殖、湮灭、重排等)不断加强,形成高密度的位错墙和位错缠结;2、位错缠结和位错墙随着应变量的增加演变成小角度亚晶界;3、亚晶界处继续发生高密度位错的增殖和湮灭,小角度亚晶界两侧的取向差不断增大,演变成大角度亚晶界,形成晶粒细小的亚晶结构;4、细小亚晶通过位错缠结、位错墙及亚晶界的演变,形成尺寸均匀、晶界清晰、随机取向的等轴状纳米晶组织。