超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响.pdf

第14卷第3期2024年3 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.03.001有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.3March2024超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响童第华1.2 3，王乃境，丛家慧4，高倩倩1.2.3，陈勃1.2.3（1.中国航发北京航空材料研究院，北京10 0 0 8 6；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京10 0 0 8 6；3.中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京10 0 0 8 6；4.沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳110 136)摘要：采用USP-300超声表面加工装置对SMA490BW耐候钢表面进行超声冲击处理。研究超声冲击前后试件的显微组织、显微硬度和残余应力，比较超声冲击前后SMA490BW耐候钢焊接接头的腐蚀速率和腐蚀疲劳寿命。通过光学显微镜观察超声冲击后SMA490BW耐候钢的显微组织，采用测试仪器测试焊接接头的表面硬度和残余应力，分析超声冲击提高SMA490BW耐候钢抗腐蚀性及其疲劳寿命的机理。结果表明，超声冲击处理能使材料表层晶粒细化形成致密的塑性变形层，提高显微硬度，并在材料表面引人有效的残余压应力，降低腐蚀速率，减小失重量。同时，超声冲击处理后裂纹扩展路径变得更加复杂，裂纹扩展速率降低，焊接接头腐蚀疲劳寿命得到提高。关键词：SMA490BW耐候钢；焊接接头；腐蚀速率；疲劳寿命中图分类号：TG178文献标志码：A文章编号：2 0 95-17 44（2 0 2 4)0 3-0 0 0 1-0 9Effect of Ultrasonic Impact on Corrosion Fatigue Performance ofWelded Joint of SMA490BW SteelTONG Dihual-2,WANG Naijing,CONG Jiahui,GAO Qianqian-2-3,CHEN Bol-2.3(1,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100086,China;2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation,Beijing 100086,China;3.Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation Aero Engine Corporation of China,Beijing 10o086,China;4.School of Mechanical and Electrical Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:The surface of SMA490BW weathering steel was subjected to ultrasonic impact treatment by USP-300ultrasonic surface processing device.The microstructure,microhardness and residual stress of the specimens beforeand after ultrasonic impact were studied,and the corrosion rate and corrosion fatigue life of the welded joints of theSMA49oBW weathering steel before and after ultrasonic impact were compared.The microstructure of theSMA49oBW weathering steel after ultrasonic impact was observed by optical microscope,and the surface hardness收稿日期：2 0 2 3-10-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 10 5157）Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(52105157)作者简介：童第华（198 5一），男，博士，研究方向：材料的疲劳与断裂。通信作者：丛家慧（198 0 一），女，博士，讲师，研究方向：航空材料表面强化。引用格式：童第华，王乃境，丛家慧，等，超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响J.有色金属工程，2 0 2 4，14（3）：1-9.TONG Dihua,WANG Naijing,CONG Jiahui,et al.Effect of Ultrasonic Impact on Corrosion Fatigue Performance of Welded Joint ofSMA490BW SteelJJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(3):1-9.2and residual stress of welded joint were measured by testing instrument.The mechanism of improving corrosionresistance and fatigue life of SMA490BW weathering steel by ultrasonic impact was analyzed.The test results showthat ultrasonic impact treatment can refine the surface grain to form a dense plastic deformation layer,improve themicrohardness,introduce effective residual compressive stress on the surface of the material,reduce the corrosion rateand the weight loss.At the same time,after ultrasonic impact treatment,the crack propagation path becomes morecomplicated,the crack propagation rate decreases,and the corrosion fatigue life of welded joints increases.Key words:SMA49oBW weathering steel;welding joint;corrosion rate;fatigue lifeSMA490BW耐候钢作为一种高性能的优质材料主要用于高速列车转向架构架上，是中国新一代CRH2型列车转向架主要材料。转向架是轨道列车的行走部，其主要作用为承载车身重量，保证列车平稳运行,是高速列车的最重要的部件之一。但由于转向架在服役过程中暴露在大气环境中，作为基体的SMA490BW耐候钢不可避免的会受到酸雨或潮湿空气的侵蚀。受腐蚀后的结构件，由于焊点遭到腐蚀，失效位移进一步减小，更易发生断裂1，从而降低转向架的结构强度，损害车辆的使用寿命，影响高速列车的安全运行2-3。因此改善SMA490BW耐候钢耐腐蚀性来保证转向架构架的服役寿命十分重要。超声冲击处理（Ultrasonic Impact Treatment,UIT)是一种金属材料表面强化化技术，研究证明，超声冲击设备输出的冲击载荷作用于金属表面会使其表层组织得到明显细化，并引人残余压应力，有效改善材料的力学性能4-5。目前超声冲击技术因其高效性、便捷性在焊接结构的疲劳延寿领域得到广Table 1IMain chemical composition of SMA490BW weathering steel and welding wireItemCSMA490BW0.18CHW55-CNH0.08使用USP-300型超声表面加工装置，冲击电流为2 A,试样表面单位面积冲击时间为15 min。在进行超声冲击处理时，冲击针垂直于试样表面。冲击过程在冲击枪的自重下完成，以保证冲击力度均匀。采用线切割设备加工腐蚀疲劳试件，在焊缝中心处切取10 mmX10mmX8mm作为焊缝待腐蚀试样,在钢板切取3 0 mmX30mm8mm作为母材待腐蚀试样。图1为超声冲击前后腐蚀试样。参照ASTM G3172标准进行全浸泡试验。分别对未处理和超声冲击过的腐蚀试样进行简单打磨，去掉表面氧化层，之后用酒精擦去表面油有色金属工程泛应用。国内外对超声冲击处理后的SMA490BW耐候钢腐蚀性能的研究主要集中在抗拉强度、常规疲劳等力学性能。研究开发了防腐涂料、金属镀层、电化学保护、缓蚀剂、耐腐蚀材料等防腐手段6 。但是关于超声冲击对SMA490BW耐候钢抗腐蚀性能影响的研究较少7-。本文通过超声冲击设备对SMA490BW耐候钢焊接接头表面进行改性处理，通过微观组织形貌观察、浸泡腐蚀试验、腐蚀疲劳试验等手段研究超声冲击对SMA490BW耐候钢腐蚀行为的影响，为SMA490BW耐候钢的腐蚀防护提供理论依据，有望扩展超声冲击技术的应用领域。1试验材料及方法焊接工艺为MAG熔化焊，焊接形式为对接焊，60V型坡口，采用8 0%Ar十2 0%COz的保护气，选用CHW55-CNH焊丝，焊丝直径1.6 mm。采用线切割加工试样。试验所用材料为SMA490BW耐候钢，其化学成分如表1所示。表1SMA490BW耐候钢及焊丝主要化学成分SiMn0.150.651.400.451.40第14卷/%PS0.0350.0350.0120.008污。镶嵌试样，只保留一个面进行腐蚀。在干燥器中完全干燥后，用精密电子天平称量试样的初始质量。之后将试样全部浸人3.5%NaCl溶液中。在容器中安置水泵保证溶液的流动性。分别在12、2 4、48、6 0、7 2、9 6、12 0、144h后将试样取出，去除表面腐蚀产物并使用超声波清洗机清洗，吹干后使用失重法计算腐蚀速率，如公式（1)所示。M。-M iV=！AXt式中,M。腐蚀前试样质量，g;Mi一一腐蚀Cu0.300.500.35Cr0.450.750.65Ni0.050.300.35(1)第3期童第华等：超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响3abCd图1腐蚀试样超声冲击前后对比：(a)未冲击母材;(b)超声冲击母材;(c)未冲击焊缝;(d)超声冲击焊缝Fig.1 Comparison of corrosion samples before and after ultrasonic impact:(a)Unimpacted base metal;(b)Base metal of ultrasonic impact;(c)Unimpacted weld;(d)Weld of ultrasonic impact产物取出后试样质量，g；A 一腐蚀区域面积，m；t一腐蚀时间,h。焊接接头腐蚀疲劳试样超声冲击处理前后对比如图2 所示。进行腐蚀疲劳试验前先将试件放入特制腐蚀盒中，保证试件的焊接接头区域完全浸泡在图2 腐蚀疲劳试样超声冲击前后对比Fig.2(Comparison of corrosion fatigue samplesbefore and after ultrasonic impact腐蚀液中。之后装夹在疲劳试验机对试样进行腐蚀疲劳试验。试验采用正弦波，应力水平为46 0 MPa，循环应力比R=0.06，频率为10 Hz。试验在室温环境下进行，温度为2 5士3。2结果与分析2.1显微组织使用金相显微镜对SMA490BW钢母材及焊缝区域显微组织进行观测可以发现，母材组织由铁素体与珠光体组成，形状呈多边形块状。与其完全不同的是焊缝组织为尺寸较大的针状或板条状的珠光体和铁素体。图3为经过超声冲击处理后的母材与焊缝，可见表面均产生了塑性变形，表层晶粒得到细化。由于母材与焊缝的初始硬度的不同，相较于焊缝，母材表面在经过超声冲击后产生的强化层深度更深，经超声冲击处理后母材塑性变形层厚度达135m，焊缝区域塑性变形层厚度达8 5m。4Fig.3 Microstructure photos of base metal and weld afterultrasonic impact:(a)Base metal;(b)Weld2.2显微硬度显微硬度能直观地反映出材料力学性能的好坏，并且与抗腐蚀性能密切相关。图4为超声冲击前后焊接接头焊缝区域的表面硬度对比。由于各区域在焊接过程中经历的温度不同，从而形成了不同的组织，导致硬度值出现变化。焊缝区域经历了高能量的循环温度，硬度明显高于两侧母材硬度。超声冲击处理后焊接接头的表面整体硬度得到显著提270260F250240230220210200190F180-25-20-15-10-50510152025Distancefrom weld center/mm图4焊接接头表面硬度Fig.4Surface hardness of welded joint有色金属工程高，硬度值的波动幅度减小。这是由于剧烈的机械a冲击作用在材料表层造成了严重的塑性变形，晶粒135 m被拉长破碎，位错密度增高，发生加工硬化效应。图5为焊接接头沿深度方向的维氏硬度值。结果表明：1)未冲击的焊接接头沿深度方向的显微硬度无明显的差异；超声冲击处理后表层硬度整体趋势随着距表面距离的增大而减小，直至与未冲击的焊接接头硬度相同。2)超声冲击后不同区域的强化程度不同,同一区域内硬度的强化深度略大于变形50m层的厚度，说明超声冲击带来的硬度变化延伸到了变形层之下。85 m270(a)26025024023022050m210图3超声冲击后母材、焊缝显微组织：200(a)母材;(b)焊缝1900270(b)260250240230220210200190Unprocessed0Ultrasanicimpacttreatment图5焊接接头沿深度方向硬度：(a)母材(b)焊缝Fig.5Hardness of welded joint along depth direction:(a)Base metal;(b)Weld2.3残余应力使用X射线应力仪测试SMA490BW钢焊接接头垂直于焊缝方向的残余应力，图6 为超声冲击处Base metalWeld zoneregion1第14卷-UnprocessedUltrasonic impact treatment0.050.10Distance from surface/mmUnprocessed-Ultrasonic impact treatment0.050.10Distance from surface/mmBase metalregion10.150.15理前后的SMA490BW钢焊接接头表面残余应力分布。焊接过程会在试样表面产生残余拉应力，但是将试验板材加工成试样的切割过程中会导致材料内部的应力重新分布，导致未冲击处理试样的残余应力接近于0 的结果。虽然焊接钢板经过切割加工成0.200.200.250.250.300.30第3期试件后有残余应力释放，但原始焊接接头仍然存在一定的残余应力，主要表现为拉伸残余应力，残余拉应力以焊缝中心为对称点，对称分布在焊缝区域内及周围；残余拉应力分布不均匀，且随着距焊缝中心距离的增加残余拉应力值减小，在最远离熔合线的母材区的残余拉应力几乎为OMPa。焊缝区的残余拉应力峰值约为58 MPa，平均值为2 9MPa。3002001000-100200-300-400-500-600-25-20-15(-10-50510152025Distance from weld center/mm图6 焊接接头表面残余应力分布Fig.6 Distribution of residual stress on welded joint surface经过超声冲击处理后的焊接接头的表面残余应力变化较大，从有害的拉伸残余应力变为有效的压缩残余应力。残余压应力范围分布在一2 30 一550 MPa，峰值压应力出现在焊趾处。由超声冲击引起的塑性变形不受周围材料的限制，向两侧自由膨胀，导致焊缝中心的残余压应力值相对较小。整体残余应力呈现W型。其原理在于超声波通过震动表面，导致表层金属发生塑性变形和微小位移，从而实现残余应力的松弛和均衡。同时，由于超声波的能量使金属晶界的位错活动也得到了促进，从而加速了残余应力的松弛过程。在处理过程中，由于金属组织的体积膨胀，会导致原有的残余拉应力在初期大幅下降。但随着体积的持续膨胀，受到周围材料的束缚作用增强，最终使拉应力转变为压应力。关于残余应力形式的转变存在另一种解释：超声冲击的机械能导致焊接接头发生塑性变形，对应的微观结构的变化为原有的位错结构发生改变。超声冲击前位错处于高能位的不稳态，焊接接头表面应力状态表现为残余拉应力。超声冲击后位错变为到相对稳定的低能位，残余拉应力随之转变为压应力，进而金属表层形成低能态、低弹性的结构。通过上述分析可知残余压应力的引入提高了疲劳极童第华等：超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响UnprocessedUltrasonic impact treatmentBase metalWeld zoneregion15限，延长了试件的疲劳寿命，对提高材料的耐腐蚀性产生了积极的影响。2.4腐蚀速率图7 为超声冲击前后试样的腐蚀速率曲线。通过图7 对比发现，四组试样的失重量的变化趋势大致相同，而相同处理状态下焊缝比母材的失重量大，失重量分别为焊缝（未处理)95g/m、母材（未处理）74.5g/m、焊缝（超声冲击处理）7 1 g/m、母材（超声冲击处理)53.8 g/m。可以发现，腐蚀速率呈现先增加后减小的趋势。众所周知，耐候钢中含有耐腐蚀合金元素因此具有良好的抗腐蚀能力。耐候钢的锈层结构分为两层，外层较厚且疏松多孔，内层较Base metalregion工工薄但十分致密并且能与基体很好地结合在一起10-1。耐候钢的抗腐蚀性主要由内锈层决定。在腐蚀前期,由于基体暴露腐蚀速率极快，此时的腐蚀产物较为疏松无法保护基体，腐蚀性介质透过锈层与基体接触，反应速率加快。随着腐蚀的进行，1120110(a)100908070605040F30F201001.4(b)1.31.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20图7焊接接头腐蚀失重与腐蚀速率：(a)失重量;(b)腐蚀速率Fig.7Corrosion weight loss and corrosion rate ofwelded joints:(a)Weight lost;(b)Corrosion rateUntreated weldWeld treatedbyultrasonic impactUntreated basemetalBasemetal treated byultrasonic impact2040一UntreatedweldWeld treatedbyultrasonic impactUntreated base metalBase metal treated by ultrasonic impact1204060Time/h6080Time/h8010011001201401601201401606锈层变厚，起保护作用的内锈层也开始形成，但此时的腐蚀速率依然较快。腐蚀达到一定时间后（约为507 0 h），基体表面形成了致密且稳定的内锈层，阻碍了腐蚀液与基体的接触，对基体的保护作用得到增强，腐蚀速率开始下降最后趋于平稳。SMA490BW钢的良好的耐腐蚀能力得益于其中添加了合金元素，在腐蚀过程中形成了保护性锈层，有研究表明，合金元素含量的增加可以提高基体的耐腐蚀性12-131。从曲线的对比中可以看出，超声冲击过的腐蚀试样的腐蚀速率低于未处理的试样，说明超声冲击处理对提高耐候钢的抗腐蚀性具有显著效果。这是由于超声冲击处理后表层晶粒组织得到细化合金元素在表层富集，同时表面硬度提高，引人残余压应力，产生的保护性锈层更为致密，抗腐蚀性能提升。有色金属工程2.5锈层的宏观形貌图8 为腐蚀前期第12 h试样表面的宏观形貌，在这一阶段试样表面已经产生了深褐色的腐蚀产物，且较为疏松。对比发现未经过超声冲击处理的试样表面的腐蚀产物厚度更大，颜色更深，覆盖面积也更多，较为直观地表现了超声冲击对腐蚀速率的影响效果。晶粒尺寸、残余压应力、表面粗糙度和腐蚀环境影响耐腐蚀性的关键因素。根据前面章节超声冲击处理能在试样表层引人残余压应力和并且将表面的组织细化，可以抵抗点蚀的发生，使腐蚀趋向均匀化14。此外，超声冲击引入的残余压应力能抵消一部分腐蚀产物“嵌人”在轧制过程中被拉长的晶粒之间所产生的张力，材料的结构更加紧密，晶界处难以形成裂纹和空隙，从而大大减少了晶间腐蚀的机会，最终提高了材料的耐腐蚀性能。第14卷abCd图8 腐蚀第12 h试件表面的宏观形貌：(a)未冲击母材;(b)超声冲击母材;(c)未冲击焊缝;(d)超声冲击焊缝Fig.8 Macroscopic morphology of specimen surface after 12 h corrosion:(a)Unimpacted base metal;(b)Base metal ofultrasonic impact;(c)Unimpacted weld;(d)Weld of ultrasonic impact2.6腐蚀疲劳试验结果与分析试验发现腐蚀疲劳过程中疲劳源一般萌生于试样表面点蚀引起的应力集中处，导致裂纹萌生速度加快，降低了疲劳寿命。表2 为腐蚀疲劳试验结果，在3.5%的NaCl溶液中焊态试样的平均疲劳寿命为18 0 6 47，超声冲击15min后平均疲劳寿命提高到了2 18 6 43。超声冲击一方面提高了焊接接头的表面硬度，延缓点蚀的发生，从而降低腐蚀速率和裂纹的萌生，同时将晶粒细化并产生点阵畸变限制了晶粒位错的移动，抑制了裂纹的扩展。另一方面，超声冲击处理在试样表层引人残余压应力，从而抵消一部分受到的拉力，最终提高了试样的疲劳寿命。第3期Sample stateWelded stateShock for 15 min图9 为腐蚀疲劳试件断口形貌。如图9(a）、（b)所示，未经超声冲击时，试样的疲劳源在表面，会导致具有方向性的腐蚀疲劳损伤，出现放射状条纹。但经过超声冲击后，裂纹源会转移到亚表面以下的强化层。如图9(c）、（d)所示，在大多数断口的裂纹扩展区观察到存在疲劳辉纹。该区域包含许多高低童第华等：超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响表2 腐蚀疲劳试验结果Table2Corrosion fatigue test resultsSpecimen numberFracture location1-1Weld seam1-2Weld seam1-3Weld seam2-1Weld seam2-2Weld seam2-3Weld seam不平的大小断块，每个断块上都分布着相互平行且细密连续的疲劳辉纹。疲劳辉纹与裂纹扩展方向垂直，间距随着裂纹扩展速度的增加而增大。该区域还存在不连续的二次裂纹，这些裂纹会消耗主裂纹的能量，延缓裂纹的早期扩展。未强化试样腐蚀疲劳后裂纹扩展区存在较少的二次裂纹，裂纹扩展较7Fatigue lifeAverage fatigue life181963146367213611264937201127189866180647218643ab80m80umdSecondarycrack10 um10mf20um图9断口形貌：(a)未冲击试件裂纹源；(b)超声冲击试件裂纹源；(c)未冲击试件裂纹扩展区；(d)超声冲击试件裂纹扩展区;(e)未冲击试件瞬断区;(f)超声冲击试件瞬断区Fig.9 Fracture morphology:(a)Crack source of unimpacted specimen;(b)Crack source of ultrasonic impact specimen;(c)Crack propagation zone of unimpacted specimen;(d)Crack propagation zone of ultrasonic impact specimen;(e)Instantaneous fracture zone of unimpacted specimen;(f)Instantaneous fracture zone of ultrasonic impact specimen20um8为容易，并且存在较多的疲劳辉纹，超声冲击后试样断口的二次裂纹明显增多，使得主裂纹的扩展路径更加曲折，有效降低了主裂纹扩展的驱动力，分散了裂纹尖端应力集中的作用，使裂纹尖端变钝，减缓了裂纹扩展速率。如图9（e）、（f)所示，超声冲击前后的试件的瞬断区形貌大致相同，该区域分布着形状和大小不一的混合型韧窝，表现为典型的塑性断裂特征。超声冲击试样在相同应力载荷下腐蚀疲劳瞬断区韧窝尺寸和深度均有明显增加。此外，在一些韧窝内部还观察到有二相粒子存在。3结论1)经过超声冲击处理能够使焊接接头母材和焊缝表层组织细化，产生了不同深度的变形层,厚度分别为135、8 5m。超声冲击处理产生的加工硬化效果，提高了整体表面硬度，母材区域最高硬度从2 2 2 HV提高到2 43HV，焊缝区域的最大硬度从2 32 HV提高到255HV。未冲击的焊接接头沿深度方向的显微硬度无明显的差异，超声冲击处理后显微硬度沿深度方向整体趋势是随着距表面距离的增大而减小，直至与未冲击的焊接接头硬度相同。2)未冲击处理试件母材区的残余拉应力几乎为OMPa，焊缝区的残余拉应力峰值约为58 MPa，平均值为2 9 MPa。超声冲击处理后材料表面引人有效的残余压应力，最大残余压应力达到一547 MPa，整体残余压应力呈现W型，峰值压应力出现在焊趾处。3)超声冲击处理能够有效降低腐蚀速率和失重量，在腐蚀时间为144h时失重量大小顺序为焊缝(未处理)母材(未处理)焊缝(超声冲击处理)母材（超声冲击处理），母材的腐蚀速率降低到71.4%，焊缝的腐蚀速率降低到7 3.3%。4)超声冲击能够延缓点蚀坑和裂纹源的形成，增加二次裂纹的密度，使裂纹扩展路径更加曲折，降低裂纹扩展速率，改善焊接接头的腐蚀疲劳性能。在46 0 MPa应力下，焊接接头试件的腐蚀疲劳寿命提高了 2 1.0%。参考文献：1回丽，李东澎，宋万万，等.腐蚀环境对搅拌摩擦点焊接结构力学性能的影响J.有色金属工程，2 0 2 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