ASTM A572 Gr65钢焊接接头疲劳断裂特性与性能评估研究

ASTM A572 Gr65钢焊接接头疲劳断裂表征与评定

杨泽源闫志峰王树邦韩明珠张红霞

太原理工大学有材料科学与工程学院，其位于山西太原，邮编为 030024。

DOI 为 10.7512/j.issn.1001-2303 ，其时间为 2022 年，月份为 12 月，期号为 04

ASTM A572 Gr65 钢的焊接结构件时常需承受动态载荷，接头部位易出现疲劳失效情况。在对 ASTM A572 Gr65 钢的 MAG 焊接接头力学性能进行分析之后，结合红外热像法对其焊接接头的疲劳性能作出了评定。结果表明，焊缝区的金相组织主要是针状铁素体，它的硬度在 197 到 203 HV0.5 之间；焊接接头的屈服强度为 350 MPa；在静态载荷以及循环载荷的作用下，ASTM A572 Gr65 钢焊接接头的表面温度都有规律性的变化，循环载荷下的变形规律和疲劳过程中的温度演化是相对应的。通过试件表面在疲劳过程中的红外温度信息来进行评定。其疲劳极限是 234.18 MPa，将此结果与通过疲劳试验 S-N 曲线得到的 246.60 MPa 结果相比，误差为 5.04%。疲劳断裂出现在焊缝区，并且疲劳裂纹源位于试样内部，呈现出“鱼眼”状。

ASTM A572 Gr65 钢采用 MAG 焊；通过红外热像法；得到 S-N 曲线；以此进行疲劳极限评定

0前言

ASTM A572 Gr65 钢属于低合金高强度结构钢。它具有低碳且低硅的特性，同时具备耐候性、高强度以及高韧性。这种钢以焊接结构件的形式，在输电线路电塔、信号塔、汽车以及建筑等众多行业中得到了广泛应用。在实际服役的环境里，焊接结构件时常需要承受动态载荷的作用。焊接结构件经历焊接热循环过程之后，它的微观组织以及力学性能和母材相比，存在着较大的差异。所以，在焊接接头部位容易出现疲劳失效的情况［1］。和其他破坏形式不一样，疲劳断裂由于没有明显的预兆，所以更有可能引发灾难性的事故。所以快速且准确地评估焊接结构件的疲劳强度这件事，对工程实际有着重要的意义。

高强钢焊接接头的疲劳性能研究一直是人们关注的焦点。冯祥利等人［2］针对 Q460 焊接接头进行了研究，包括其组织和断裂行为。他们发现，随着焊接接头热输入的提升，焊缝区柱状晶的形态特征有所减弱，针状铁素体的平均尺寸也随之增大。在断裂过程中，细小的针状铁素体能够对裂纹的扩展起到阻碍作用。贾朋刚等人［3］通过升降法对 B780CF 高强钢板焊接接头的疲劳性能进行了评定。他们发现，焊接接头的裂纹既可能在表面起始，也有可能在试样内部萌生。邱晨等人［4］开展了 Q460D 焊接接头超低周疲劳性能方面的研究。研究表明，在循环载荷作用下，逐步形成的塑性条带以及热影响区最容易致使材料发生疲劳断裂。魏世同等人［5］针对 Q345E 钢板焊接接头的疲劳性能展开了研究。他们发现，在该焊接接头中，焊缝区是最容易出现疲劳裂纹萌生的位置。并且，焊接缺陷会进一步使接头的疲劳性能变得更差。

目前，材料疲劳强度的评估方法有单点法、成组法和升降法等。这些方法对于样品的需求量比较大。这些方法的试验周期比较长。这些方法的成本比较高。在疲劳演化过程中，机械功主要是以热的形式进行耗散的。基于此现象，红外热像法可以用来检测疲劳损伤［6］。材料在循环载荷作用下，其表面温度会有规律性的变化。凭借此温度变化，能够用来预测材料的疲劳极限。与传统测试方法相比，红外热像法具有成本低、耗时少的优势。所以，本文借助红外热像法对 ASTM A572 Gr65 钢焊接接头在疲劳断裂过程中试件表面的温度特征进行监测，并且利用温度信息对其疲劳性能进行评定。

1试验材料及方法

14mm 厚的 ASTM A572 Gr65 热轧钢板采用 MAG 焊进行焊接，其化学成分以及室温力学性能分别在表 1 和表 2 中有所体现。选用的是直径为 1.6mm 的 ER55-G 焊丝，该焊丝的化学成分在表 3 中呈现。焊接接头采用对接形式，且为 X 形坡口，坡口的形状和尺寸按照图 1 所示。

表 1 为 ASTM A572 Gr65 钢的化学成分，其质量分数以%计。

表 2 当中包含了 ASTM A572 Gr65 钢的力学性能相关内容。

表 3 展示了 ER55 - G 焊丝的化学成分，这些化学成分是以质量分数来表示的，单位为%。即表 3 给出了 ER55 - G 焊丝的化学组成情况，其成分是以质量百分比的形式呈现的。

图 1 展示的是 ASTM A572 Gr65 钢的焊接坡口，其单位为毫米。

通常情况下，材料的碳当量若越小，那么它的焊接性就越好，冷裂倾向也越小。按照国际焊接学会所推荐的碳当量计算公式 Ceq（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，ASTM A572 Gr65 热轧钢的碳当量是 0.31%，这满足了碳当量低于 0.4%时焊接性良好的标准。焊接工艺参数呈现于表 4 之中。焊后针对试板展开了超声检测这一操作。其检测结果显示为 I 级焊缝。

表 4 呈现的是焊接工艺参数。

用 4%硝酸酒精溶液来浸蚀焊接接头，接着用光学显微镜（CMM-20E）对试样进行金相组织的观察；通过维氏硬度仪（HVS-1000A）测量焊接接头的硬度，施加的载荷是 500 克，停留时间为 10 秒。

依据 GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》的规定，借助 PLG200-D 高频拉压疲劳试验机来对 ASTM A572 Gr65 钢焊接接头开展高周疲劳试验。其应力比为 R = 0.1，把 107 次循环时的应力当作条件疲劳极限，并且以 20 MPa 作为间隔，使循环应力峰值的范围处于 140 到 340 MPa 之间。试样的尺寸呈现为图 2 所展示的那样。通过使用红外热像仪来记录试样的温升数据。为了确保红外热像仪能够准确地采集温度，给试样喷涂了黑色哑光漆。运用 IRBIS3 软件去处理红外热成像数据，从而得到了温度曲线。利用扫描电子显微镜（TESCAN MIRA3）来对疲劳试样断口的微观形貌进行描绘和展现。

图 2 展示了疲劳试样的形状及尺寸，单位为毫米。

2结果及讨论

2.1焊接接头微观组织及硬度分布

焊缝区的组织主要是针状铁素体，从 3a、3e 图可以看出，它以柱状晶的形式垂直于焊缝边缘向焊缝中心生长。针状铁素体在原奥氏体内部进行形核和生长。因为它具有较大的长宽比，所以在生长过程中彼此会受到限制。正因如此，在针状铁素体内部存在着很高的位错密度，这有效地提高了焊缝的强度［2］。从图 3b 中能够看到焊缝区与热影响区之间的熔合线。热影响区被分成了……

图 3 展示的是焊接接头的金相组织。

焊接接头的焊缝区；熔合线；焊接接头的宏观照片；母材；焊缝区；热影响区的粗晶区；热影响区的细晶区

粗晶区（见图 3f）主要是针状铁素体和珠光体。细晶区（见图 3g）主要是针状铁素体和珠光体。

焊接接头截面的硬度分布情况如图 4 所呈现。母材的显微硬度处在 190 到 192 HV0.5 这个范围。与母材进行对比，焊缝区因为存在着大量的针状铁素体，所以其硬度值相对而言比较大，为 197 到 203 HV0.5。热影响区的组织主要是针状铁素体和珠光体，并且晶粒尺寸得到了细化，这便是影响该位置硬度发生变化的主要因素。总体来讲，热影响区的淬硬倾向比较小，不存在明显的脆化现象。

图 4 展示了焊接接头的硬度分布情况。 焊接接头的硬度分布在图 4 中有所呈现。 图 4 呈现出焊接接头的硬度分布状况。 从图 4 可以看出焊接接头的硬度分布。 图 4 对焊接接头的硬度分布进行了展示。 焊接接头的硬度分布在图 4 里可以看到。 图 4 中呈现了焊接接头的硬度分布。 焊接接头的硬度分布情况在图 4 中得以展示。 从图 4 能够了解到焊接接头的硬度分布。 图 4 把焊接接头的硬度分布给展示了出来。 焊接接头的硬度分布经由图 4 进行展示。 图 4 使得焊接接头的硬度分布得以呈现。 焊接接头的硬度分布在图 4 上有所体现。 从图 4 能够观察到焊接接头的硬度分布。 图 4 对焊接接头的硬度分布进行了呈现。 焊接接头的硬度分布在图 4 当中可以被看到。 图 4 把焊接接头的硬度分布展示了出来。 焊接接头的硬度分布经由图 4 而被展示。 图 4 让焊接接头的硬度分布得以呈现出来。 焊接接头的硬度分布在图 4 里得到了展示。 从图 4 可以观察到焊接接头的硬度分布情况。 图 4 把焊接接头的硬度分布状况展示了出来。 焊接接头的硬度分布情况在图 4 中被展示了出来。 从图 4 能够看到焊接接头的硬度分布状况。 图 4 对焊接接头的硬度分布状况进行了展示。 焊接接头的硬度分布在图 4 中被呈现了出来。 图 4 使得焊接接头的硬度分布状况得以呈现出来。 焊接接头的硬度分布在图 4 上被展示了出来。 从图 4 可以得知焊接接头的硬度分布情况。 图 4 把焊接接头的硬度分布情况给展示了出来。 焊接接头的硬度分布经由图 4 被展示了出来。 图 4 让焊接接头的硬度分布情况得以呈现出来。 焊接接头的硬度分布在图 4 里被展示了出来。

2.2静态载荷条件下焊接接头温度演化

ASTM A572 Gr65 钢及焊接接头的静态拉伸应力 - 应变曲线呈现出图 5 的样子。能够清晰地观察到焊后接头的拉伸性能有明显下降。母材的屈服强度是 470 MPa，焊后接头的屈服强度降至 350 MPa。母材的抗拉强度为 520 MPa，焊后接头的抗拉强度降到 450 MPa。母材的断后伸长率是 37%，焊后接头的断后伸长率降至 18%。

图5母材和焊接接头在静态载荷下的应力-应变曲线及温升演化

图 5 展示了在静载作用下母材和焊接接头的应力 - 应变曲线以及温度演变情况。

静态拉伸过程包含弹性阶段和非弹性阶段，这两个阶段的产热机理不一样，所呈现出的温度变化规律也有所不同［11］。在图 5a 中，对于 ASTM A572 Gr65 钢在单轴拉伸载荷作用下，样品表面温度的变化曲线主要可分为四个阶段。其一，在初始温度下降阶段，试样仅发生了弹性变形，由于热弹性效应，试件的表面温度下降。试件先产生塑性变形，其塑性变形产热导致试件表面温度慢慢升高。在此阶段之后，试样出现颈缩现象，进而产生宏观裂纹。在裂纹扩大的时候，从裂纹尖端释放出大量热量，使试件的表面温度快速上升。当温度达到峰值时，试样发生断裂，随后试件的表面温度迅速下降并冷却至室温。在图 5b 中，拉伸过程的前 10 秒内，温度开始第一次出现下降和上升的情况。外加应力达到了焊接接头薄弱区的弹性极限，之后温度不再下降，而是开始上升。此时，薄弱区进入了塑性阶段，试样的产热增多。在 10 到 20 秒这段时间，温度开始第二次下降和上升。此时的外加应力达到了焊接接头的弹性极限，焊接接头整体进入了塑性区。但是，由于存在薄弱区，塑性阶段的产热明显高于散热。

图 6 展示了焊接接头拉伸过程中的红外热像图。可以清晰地看到，试样出现颈缩现象，其横截面积逐渐减少，产热集中。随后，温度持续快速上升，一直到试样断裂。在焊接过程中，材料内部的微观组织变得不均匀，这使得各个部位的力学性能也变得不均匀。组织的差异导致材料在变形过程中出现了不协调和不稳定的现象，从而使二者的温度变化规律有所不同。在拉伸过程中观察试样的温度演化，可知在静态条件下，材料在屈服前后的温度变化规律存在明显差异。静载过程中，温度会从下降转变为升高，而转折点处的应力值能够反映材料的屈服过程。拐点位置对应的应力值可作为疲劳试验过程中循环应力峰值的最大值，这为在动态载荷下确定焊接接头使用的循环载荷范围提供了依据。

图 6 展示了在焊接接头试样拉伸过程中的红外热像图。在拉伸过程中，焊接接头试样的红外热像图得以呈现。焊接接头试样在拉伸期间，其红外热像图被记录下来，如图 6 所示。

2.3循环载荷条件下焊接接头温度演化

材料在循环载荷作用下会出现弹性和塑性变形，同时伴随着能量的消散。所以，疲劳过程能够被视为材料发生弹性和塑性变形之后的能量耗散过程，其表现形式包含试样表面温度的变化以及循环应力 - 应变变化曲线。

疲劳过程中试样表面的温度变化曲线呈现如图 7 所示的情况。当循环应力处于较低水平（σmax）时，在经过 7 次循环后试样并未发生断裂。其温升曲线能够分成两个阶段，分别是初始温度上升阶段以及稳定阶段。当试样内部产热和热耗散达到动态平衡时，温度不再上升且保持恒定。当循环应力较大，即σmax>240 MPa 时，试样在未达到 107 次循环就出现疲劳断裂。温升曲线可分成三个阶段，分别是初始温升阶段、温升恒定阶段以及试样断裂时的突增阶段。前两个阶段的情况与循环应力的情况相同。然而，因为循环应力较大，所以试样稳定时的温升值更高。并且，这两个阶段占据了试样寿命的大部分时间。在稳定循环期间，疲劳裂纹开始逐渐萌生并且开始扩展，试样的有效截面积逐步减少。当试样即将发生断裂时，会出现较大的不可逆塑性变形，产热大幅增加，比试样耗散的热量高很多，试样表面温度快速上升，形成陡峰，在这个时候试样发生断裂。

图7不同循环应力下试样表面的温升演化

图 7 展示了在不同循环应力作用下样品表面的温度演变情况。不同循环应力下，样品表面的温度会发生演变。在不同的循环应力条件下，样品表面的温度有着相应的变化。

材料在疲劳过程中，温升变化与循环过程中的变形行为相对应。如图 7b 所示，当循环应力峰值为 340 MPa 时，循环应力 - 应变曲线的演化过程可分为三个阶段。其一，在外加载荷作用下，循环变形开始出现，试样出现明显塑性变形，导致循环应力 - 应变曲线右移；其二，随着循环周次的增加，由于材料发生加工硬化，此时只产生很小的塑性变形，使得循环应力 - 应变曲线右移量减少；其三，当试样发生断裂时，变形量快速增大。这与疲劳过程中红外温度的演化情况基本是相符合的。同时，这也表明了在疲劳过程中红外温度是具有准确性的。

图 8 展示的是焊接接头试样在疲劳过程中的红外热像图。从图中能直接看出试样在循环载荷作用下的温度变化情况。此图也反映了疲劳过程中的能量消耗情况。当试样即将发生疲劳断裂时，其表面温度会快速升高。在局部表面出现白斑的部位，温度上升最为显著。接着，温度会迅速蔓延至整个试样截面。随后，试样发生疲劳断裂。断裂后，温度又恢复至室温。

图 8 展示了焊接接头试样在疲劳过程中的红外热像图。在疲劳过程中，焊接接头试样的红外热像图得以呈现。焊接接头试样在疲劳过程中，其红外热像图如图 8 所示。

2.4疲劳极限评定

用 107 次循环次数下较大的循环应力峰值来定义条件疲劳强度，接着对所得到的应力与循环次数的数据点进行线性拟合，从而得到 ASTM A572 Gr65 钢焊接接头试样的 S-N 曲线（见图 9a）。拟合后得到的 S-N 曲线表达式为

lgσ= -0.064lgN+2.84

（1）

从式（1）能够得知，ASTM A572 Gr65 钢的焊接接头试样，其疲劳极限大概是 246.6 MPa。

图9ASTM A572 Gr65钢焊接接头疲劳极限评定

Fig.9 展示了 ASTM A572 Gr65 钢焊接接头的疲劳极限评估。

试样在低循环应力作用下稳定时的温升值与在高循环应力作用下稳定时的温升值差别很大。循环应力增加，稳定时的温升值随之增大。当循环应力超过疲劳极限，温升稳定值会发生突变。依据此现象，对疲劳极限以下的数据点进行线性拟合，对疲劳极限以上的数据点也进行线性拟合（见图 9b），其函数表达式分别为

ΔT= 0.011σ-1.467

（2）

ΔT= 0.060σ-12.951

（3）

两条拟合线相交的点就是疲劳极限。ASTM A572 Gr65 钢焊接接头的疲劳极限为 234.18 MPa。该结果与通过 S-N 曲线拟合得到的结果相差仅 5.04%。

2.5疲劳断口分析

焊接接头试样在循环应力峰值为 300MPa 时的疲劳断口扫描图片如图 10 展现出来。通过扫描电镜对材料在疲劳过程中的断裂机理进行了研究。能够清晰地观察到疲劳断口主要由三部分构成，分别是裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。裂纹源区位于试样内部，其形状呈“鱼眼”状（见图 10b）。疲劳裂纹从焊缝夹杂与基体的界面处开始产生，然后逐步扩展，最终引发了疲劳断裂。在图 10c 中，可以观察到裂纹源内存在大量裂纹，这些裂纹随后向四周扩散，呈现出准解理断裂的特征。而在图 10d 中，能够明显看到大量的疲劳辉纹，这种现象是由裂纹尖端的钝化和再锐化所引起的［12］。图 10e 呈现的是裂纹扩展区，其呈现出贝壳状花样。随着裂纹持续发展，二次裂纹也在不断扩大。并且，裂纹扩展区的解理面分布不规则，在扩展过程中主要是以穿晶断裂的形式存在。裂纹尖端在剪切应力的作用下会发生塑性变形，从而使裂纹沿扩展方向移动。在瞬时断裂区（见图 10f），会发生明显的塑性变形。

在图 10 中，循环应力峰值为 300 MPa 时的疲劳试样断口的扫描电镜照片。

在 300MPa 的峰值循环应力作用下发生断裂

试样在中部焊缝位置发生断裂。主要原因在于焊缝与母材在力学性能以及成分方面存在较大差异。焊接接头的拉伸性能比母材低，其疲劳强度也显著降低。因为焊接接头成分不均匀，所以在焊缝区很容易形核裂纹，进而导致应力集中，最终发生疲劳断裂。

3结论

对 ASTM A572 Gr65 钢焊接接头进行拉伸试验后发现，焊接试样的拉伸性能比母材低很多。其屈服强度为 350 MPa，抗拉强度为 400 MPa。在焊接接头静载应力-应变温度的演化过程中，因为存在薄弱区，所以试样会经历两次热弹性阶段。

ASTM A572 Gr65 钢焊接接头在疲劳过程中，温升演化与循环变形行为是相对应的。对于那些发生断裂的试样，都要经历三个阶段，一是初始阶段会快速升温，二是进入稳定温升阶段，三是在断裂时会出现温度骤升的阶段。

对焊接试样进行高周疲劳试验，接着测定焊接接头的 S-N 曲线，从而得到疲劳极限为 246.6MPa。再依据疲劳过程中试验表面的温升值来进行疲劳极限评定，得出疲劳极限为 234.18MPa，此疲劳极限与通过 S-N 曲线得到的疲劳极限相比，相差 5.04%。

ASTM A572 Gr65 钢的焊接接头疲劳失效出现在焊缝区。原因是焊缝与母材在力学性能以及成分组织方面存在较大差异。从疲劳断口能够观察到，裂纹源处在试样的内部。

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