工程机械用HG50和CF60钢的动态断裂韧性

工程机械用HG50和CF60钢的动态断裂韧性唐国翌董剑鹏陈卓华刘雅娣(清华大学)(太原重型机器厂)摘要研究了两种低合金高强度工程机械用钢——HG50和CF60的母材和焊接接头(包括焊缝和焊接热影响区)在三种压头位移速率下的断裂韧性随着温度的变化行为，分析了加载速率和焊接工艺对于其断裂韧性的影响。结果表明：HG50和CF60钢的断裂韧性尽管对于加载速率很敏感，仍然具有较好的动态断裂韧性，适于用做承受冲击的工程机械的受力构件；焊接过程可造成韧—脆转变温度的升高，加大了韧—脆转变曲线过渡区的温度范围，并使得过渡区内的断裂韧性数据具有较大的发散性。关键词焊接动态加载断裂韧性INVESTIGATIONONTHEDYNAMICFRACTURETOUGHNESSPROPERTIESOFHG50ANDCF60STEELSUSEDFORENGINEERINGMACHINERYTANGGuoyiDONGJianpengCHENZhuohuaLIUYadi(TsinghuaUniversity)(TaiyuanHeavyDutyMachineryWorks)ABSTRACTThedynamicfracturepropertiesoftwoHSLAsteelsHG50andCF60usedforengineeringmachineryandtheirweldjointswerestudied.Theirfracturetoughnessvaluesversustemperatureweremeasuredrespectivelyatthreedifferentcross-headrates.Theeffectofmicrostructureandloadingrateonfracturetougnesswereanalyzed.TheresultsshowthatHG50andCF60havegooddynamicfracturetoughnessalthoughwhichissensitivetoloadingrates.Asaresultoftheweldingprocess,theductile-to-brittletransitiontemperatureanditsrangeisincreasedmarkedly,andtheexperimentaltoughnessdataweredispersedwithinthetransitionzone.KEYWORDSwelding,dynamicloading,fracturetoughness大型工程机械的受力构件经常采用焊接结构。在选材上，这类构件用钢不仅要求母材具有良好的性能，还要求其焊接接头部位具有足够的断裂韧性，以避免发生脆性断裂事故。目前，对于工程机械用钢的选材往往依据在静态加载下测得的钢材断裂韧性的数据来进行［1］。但是，在实际使用时，工程机械构件的服役情况是相当复杂的，通常要承受较大的冲击和振动。在这种情况下，经常出现满足静载断裂韧性要求的钢材在高于其韧—脆转变温度时发生脆性断裂［2，3］，造成生产和经济上的损失。本文针对两种低合金高强度工程机械用钢——HG50和CF60钢，研究了它们的母材和焊接接头(包括焊缝和焊接热影响区)在三种压头位移速率下的断裂韧性随着温度的变化行为，分析了加载速率和焊接工艺对于其断裂韧性的影响，希望能对工程机械受力构件用钢的选材和使用提供一些帮助。1试验过程本试验所用HG50和CF60钢是由武钢生产、太原重型机器厂提供的，其化学成分和力学性能如表1、2所示。试验所用三点弯曲和冲击试样的取样方向为T-L方向。其中焊接试样的焊接工艺为：S—500型焊机，CO2气体保护焊，焊材是PK-YJ-507Ni，焊丝直径为1.6mm。断裂韧性测试按GB2038—80进行。采用三种压头位移速率，即0.01、50和5530mm/s，其中0.01mm/s是通常静态断裂韧性测试时的压头位移速率；50mm/s是模拟挖掘机正常工作条件时的加载速率；5530mm/s为冲击试验加载下的速率，可以近似地反映受到高速冲击或者引发裂纹动态扩展时的情况。试验在CSS—120型万能材料试验机和ASTclock型示波冲击试验机上进行。对于压头位移速率大于50mm/s的情形，试验中使用自制的计算机动态采集系统和动态断裂分析软件进行数据处理。测得的韧—脆转变温度以零塑性转变温度(NDTT)来表征。表1HG50和CF60钢的化学成分%Table1ChemicalcompositionofHG50andCF60steels%试验钢CSiMnPSCrNiMoVNbHG500.060.211.290.0220.0080.010.01微量0.050.05CF600.080.260.910.0210.0090.160.300.22表2HG50和CF60钢的力学性能Table2MechanicalpropertiesofHG50andCF60steels试验钢δ/%ψ/%σs/MPaσb/MPaHG5033.577370470CF6019.0716006602试验结果图1给出了HG50和CF60钢母材和焊接试样在上述三种压头位移速率下测得的断裂韧性随着温度的变化曲线。每条变化曲线都分为三个区域，即上平台区、韧—脆转变过渡区和下平台区。在下平台区，温度较低，试样主要表现为脆性断裂，同时伴随着清脆的响声，断口平直齐整，呈银亮色，断面上有明显的人字纹，指向单一的裂纹起裂源；在上平台区，温度较高，试样主要表现为韧性断裂，断口形貌粗糙，断面起伏不平；而在过渡区，试样断口的形貌介于上述两者之间。图1KⅠc(或KⅠd)与温度的关系Fig.1RelationbetweenKⅠc(orKⅠd)andtesttemperature(a)HG50钢母材；(b)HG50钢焊缝；(c)HG50钢热影响区；(d)CF60钢母材；(e)CF60钢焊缝；(f)CF60钢热影响区HG50和CF60钢的母材和焊接接头的断裂韧性对加载速率很敏感。从图1中可以看出，当加载速率为0.01mm/s时，HG50和CF60钢的母材和焊接接头的韧—脆转变温度较低，低于-110℃；当压头位移速率为50mm/s和5530mm/s时，韧—脆转变温度向高温一侧产生了明显的移动。同静载时相比，韧—脆转变温度上升了几十度。尤其是冲击加载时，韧—脆转变温度达-30℃。但这些数据都远远优于曾发生脆性断裂事故的15MnV钢［1，2］。从图1还可以看出，焊接试样的断裂韧性的数值较低，而且其韧—脆转变温度也比相应的母材高。这与焊接工艺对材料的微观组织的影响有关。3讨论3.1韧—脆转变行为的分析从上述试验结果可知，静载下的KⅠc和动载下测得的KⅠd数据在评价韧—脆转变时产生了很大的差异。这是由于动态加载和静态加载时的裂纹尖端区域发射位错的特性不同而造成的。裂纹尖端位错运动的速度决定了韧—脆转变的发生［4］，而晶体中一个快速扩展的裂纹和一个静止的裂纹的止裂韧性(KⅠa)是不同的［5］，高速扩展的裂纹尖端来不及靠热激活产生位错。一个静止的裂纹在低速加载时，用于钝化的有效时间大大长于一个高速扩展的裂纹用于钝化的有效时间，位错钝化对KⅠd的贡献将降低［3］，这意味着高速加载时要想保持同样的KⅠa，就必须升高转变温度［1］。试验中，随着加载速率的提高，裂纹尖端位错运动的动力学条件将发生变化，致使裂纹尖端难于发射位错，裂纹尖端区域的断裂止裂韧性大大低于相同温度下低速加载的情形，造成了韧—脆转变温度对于加载速率十分敏感。3.2微观组织及其对韧—脆转变行为的影响从组织上看，焊接接头部位由于焊接过程的热效应，往往造成组织的粗大和焊接缺陷，造成同样压头位移速率下测得的韧—脆转变温度比相应母材的要高。图2给出了HG50和CF60钢的母材和焊接接头区域的微观组织。由断裂力学理论，对半无限大板边裂纹有［6］式中KⅠ——Ⅰ型裂纹的应力强度因子；σ——工作应力；a——边裂纹的深度。由此可知，如焊接过程形成较大尺寸的缺陷a，为了避免脆性断裂发生，就必须规定其在较低的应力状态下工作。在实际工作时，由于承受动载，材料的韧—脆转变温度上升，致使在正常工作温度下，材料已经处于韧—脆转变曲线的下平台，即KⅠd的数值大大下降，要想避免工件发生脆性断裂，就必须进一步限制工作应力的大小；或者进一步改进焊接工艺，减小可能出现的焊接缺陷及其尺寸；或者改进工件工作方式，尽可能地减小冲击和振动。图2HG50和CF60钢母材和焊接接头的光学照片Fig.2MetallographsofHG50andCF60steelmatrixandweldingjoints(a)HG50钢母材；(b)HG50钢焊缝；(c)HG50钢热影响区；(d)CF60钢母材；(e)CF60钢焊缝；(f)CF60钢热影响区微观组织的粗大和不均匀，还使得试验中所测得的韧—脆转变曲线具有较宽的转折区，并且在转折区内测得的断裂韧性的数据的发散性较大。这是由于材料组织的微观上的不均匀，一方面使得潜在的“微裂纹”的分布产生变化，另一方面造成了微观组织相对于预制裂纹尖端的随机分布存在较大的差异，致使过渡区内的试验数据发散性增大。此外，材料组织的微观上的不均匀还可能使“微裂纹”全部钝化的温度(即达到上平台的温度)与“微裂纹”基本不钝化的温度(即达到下平台的温度)的差别加大，也就是使得过渡区的温度范围加大了［7］。这就要求在实践中尽可能避开材料的韧—脆转变过渡区，而最好在材料处于上平台的温度范围内使用工件。4结论(1)静态测得的断裂韧性的数据不适合用来评价承受动态载荷构件的安全性，而应当采用动态断裂韧性数据作为工程上选材和安全性评价的依据。(2)HG50和CF60钢的断裂韧性尽管对于加载速率很敏感，但与15MnV钢相比仍然具有较好的动态断裂韧性，其韧—脆转变温度即使在冲击加载时也低于-30℃，因而适于用做承受冲击的工程机械的受力构件。(3)焊接工艺对于钢材的微观组织的不利影响不仅造成焊接构件的韧—脆转变温度比相应的母材要高，同时使测得的韧—脆转变曲线的过渡区的温度范围加大，并造成过渡区内的断裂韧性数据具有较大的发散性。(4)实践中，为了避免脆性断裂事故的发生，不仅要严格选材，还要制定合理的焊接工艺，控制焊接缺陷及其尺寸。此外，对于受力构件还要在使用时尽量减小冲击和振动。参考文献1唐国翌，苏毅.15MnV钢动态断裂韧性及韧—脆转变的分析.钢铁.1995，30(6)：43～47，57.2陈卓华，刘雅娣，唐国翌，等.大型挖掘机结构用钢的失效分析.焊接学报.1992，13(6)：187～191.3蔡麟笙.大型单斗正铲挖掘机斗柄断裂的失效分析.机械强度，1988，10(3)：37～42.4BredeM,HaasenP.TheBrittle-to-DuctileTransitioninDopedSiliconasaModelSubstance.ActaMet.，1988,36:2003～2018.5HahnGT.TheInfluenceofMicrostructureonBrittleFractureToughness.Met.Trans.，1984,15A:947～959.6高庆.工程断裂力学.重庆：重庆大学出版社，1986.229.7侯存孝.焊接热影响区组织的解理断裂机理及断裂判据(工学博士学位论文).北京：清华大学机械工程系焊接专业，1985.