基于红外热像法Q355ME高强钢焊接接头疲劳断裂行为研究

Infrared Thermography-Based Fatigue Behavior of Welded Joint of Q355ME High Strength Steel

摘要

目的 矿用挖掘机的悬臂梁结构件主要由Q355ME低合金高强钢板材焊接而成，焊接接头的强度及疲劳性能决定了悬臂梁构件的失效行为，进而影响着矿山挖掘机整体的服役寿命。因此，对矿山挖掘机所用Q355ME板材焊接接头的疲劳失效行为进行研究，对矿山挖机的安全服役有着重要意义。 方法 基于金属材料不可逆变形与试样表面温度的变化规律，对Q355ME钢焊接接头疲劳裂纹萌生与扩展过程进行了表征，从疲劳裂纹尖端（CT）区域的显微组织和能量演化的角度研究了Q355ME 钢焊接接头的疲劳损伤机制和裂纹扩展机制。 结果 结果表明：Q355ME 钢焊接接头的疲劳极限为350 MPa，根据Q355ME 钢焊接接头疲劳表面温升稳定值拟合的疲劳极限为324 MPa，两者相差7.4%。表明基于温度演变可以对Q355ME钢焊接接头疲劳断裂进行评定。研究结果确保了Q355ME钢焊接接头在使用过程中的安全性和可靠性。

Abstract

Purposes The cantilever‑beam structural components of mining excavators are mainly fabricated by welding Q355ME low‑alloy high‑strength steel plates. The strength and fatigue performance of welded joints govern the failure mode of cantilever‑beam parts and further determine the overall service life of mining excavators. Hence, investigating fatigue‑failure behaviors of welded joints of Q355ME steel plates used for mining excavators is vital for their safe in‑service operation. Methods On the basis of the irreversible deformation of metal materials and the variation of sample surface temperature, the initiation and propagation of fatigue cracks in welded joints of Q355ME steel were characterized in this paper. The fatigue damage mechanism and crack propagation mechanism were studied from the perspective of microstructure and energy evolution of fatigue crack tip region. Results The results show that, the fatigue limit of Q355ME steel welded joints is 350 MPa, and the fatigue limit fitted with the fatigue surface temperature rise stabilization value of Q355ME steel welded joints is 324 MPa, showing is a difference of 7.4%. It is shown that fatigue fracture of Q355ME steel welded joints can be evaluated according to temperature evolution. The results of the study ensure the safety and reliability of Q355ME steel welded joints in-service.

Graphical abstract

关键词

Q355ME钢焊接接头 / 裂纹尖端 / 红外热成像 / 位错滑移

Key words

Q355ME steel welded joint / crack tip / infrared thermal imaging / dislocation slip

大型矿用挖掘机的生产与服役可靠性，代表着露天采矿行业基础装备的发展水平。矿用挖掘机常常要求频繁起动，且多承受重载、重负荷和大冲击等工作情况，面临着恶劣、潮湿的服役环境，因此对矿用挖掘机的服役寿命进行评定与预测尤为重要。

矿用挖掘机的悬臂梁结构件主要由Q355ME低合金高强钢板材焊接而成，焊接接头的强度及疲劳性能决定了悬臂梁构件的失效行为，进而影响着矿山挖掘机整体的服役寿命。因此，对矿山挖掘机所用Q355ME板材焊接接头的疲劳失效行为进行研究，对矿山挖机的安全服役有着重要意义。

Q355ME是符合GB/T1591—2018标准的低合金高强度结构钢板，因其优良的性能如抗拉强度、抗疲劳性、焊接性被广泛运用于矿山机械、车辆制造、船舶等特定的工程和结构应用中。此型钢板淬硬倾向小，焊接性良好，随着矿山挖掘机使用量的逐年增多，承载结构运行的安全性得到越来越多的关注，如何准确高效地评定和预测挖掘机的使用寿命成为各大矿山机械厂面临的现实问题。与其他破坏形式不同，疲劳破坏具有较强的隐蔽性和突发性，因而获取具有足够可靠度的材料疲劳性能数据将对最终的承载结构定型以及生产制造起到决定性的作用。

对于材料的疲劳性能分析方法有多种，如名义应力法、结构应力法、缺口应力应变法等，但是每种材料该如何选用对应的表征手段同样是个重要问题。颜朕朕等^［1］用名义应力法对不同的焊接结构进行了疲劳寿命的估算，结果表明：平焊寿命约为搭接焊和十字焊的3倍，平焊的疲劳性能高于十字焊和搭接焊。陈秉智等人^［2］分别采用名义应力法、热点应力法以及结构应力法对开裂焊缝进行了疲劳寿命数值仿真计算。数值仿真计算的结果表明，与名义应力和热点应力法相比较，结构应力法的计算结果最符合实际情况，且在焊缝应力集中的识别能力上，结构应力法也明显优于其他两种方法。罗三峰等人^［3］通过设计合理的材料试样的疲劳试验，结合试验与有限元计算，计算不同损伤参量，创建应用于疲劳寿命分析的材料疲劳卡片。孟子超等人^［3］以悬挂式单轨车辆转向架焊接构架为研究对象，根据EN13749标准制定了构架的12级疲劳载荷谱，归纳出基于结构应力法针对转向架焊接构架的虚拟疲劳试验流程，并对构架进行了累积损伤计算。结果表明各焊缝累积损伤总值均小于1，满足疲劳设计的要求；该方法可以有效地识别焊缝上各节点在每级载荷谱下的损伤值。孙思远等人^［5］对对接接头和十字接头试验数据进行重新处理，建立两种焊接接头在缺口应力系统下统一的S⁃N曲线，并与IIW所推荐的疲劳寿命曲线（m=3，FAT=225）进行比较，结果表明，该曲线具有更高的疲劳等级和更低的斜率，直接用IIW推荐曲线，偏于保守不利于结构轻量化。

温度变化作为疲劳过程中的伴生现象，对疲劳行为热耗散效应研究和热力学分析至关重要^［6］。雷鹏飞等人^［7］采用红外热像仪监测AZ31镁合金疲劳裂纹扩展过程温度变化，发现疲劳裂纹扩展过程中熵产表现出初期平缓下降后突然增加的变化趋势，可用作低速区和高速区的临界值判断，为判断疲劳裂纹扩展低、高速区临界值提供了可靠的测试方法。夏日等人^［8］利用原位观察法测量了粉末高温合金FGH4095在不同温度及不同应力比下的裂纹扩展速率曲线及门槛值，发现FGH4095的裂纹扩展性能随温度增高并非单调变化，论证了Paris规律应用的局限性并引入了特征长度的概念，讨论了利用频率依存的裂纹扩展数据对各类裂尖问题进行蠕变疲劳寿命评价的方法。侯勇俊等人^［9］通过对泵头体材料进行拉伸、断裂韧度及裂纹扩展速率试验，获得有限元仿真参数。通过改变温度来探究泵头体的裂纹扩展规律，得出随着温度的增加，初始裂纹扩展加速。杨泽源等人^［10］利用红外热像法评定ASTM A572 Gr65钢焊接接头疲劳性能。发现在静态载荷和循环载荷下，ASTM A572 Gr65钢焊接接头的表面温度均呈规律性变化，循环载荷下的变形规律与疲劳过程中的温度演化相对应。宋振等人^［11］利用红外热像仪、高速相机对带缺口CFRP板的共振疲劳过程进行非接触监测。得到了试样动态响应及表面最高温度变化与疲劳寿命之间的关系。

针对矿山挖掘机的使用寿命及生产服役可靠性，本文采用红外热像法分析了焊接接头疲劳过程中的温度演变以及循环变形行为，对载荷与温度稳定值进行线性拟合，评定了Q355ME钢焊接接头的疲劳极限。同时，通过SEM、EBSD对疲劳断口形貌及裂纹尖端组织演变进行表征。基于能量耗散理论、微观组织演变和试样表面温度表征，揭示了Q355ME钢焊接接头疲劳损伤积累过程中危险区域的微观机理和温度特征，为研究金属材料焊接接头的疲劳性能及可靠性提供了新的方法。

1 试验材料及方法

研究用母材为30 mm厚的Q355ME低合金高强钢板材，研究用焊接材料为哈焊所（华通）HTW-60G焊丝，其力学性能如表1所示。

焊接利用电弧增材制造机械臂工艺实验平台，由熔化极气体保护焊焊机、运动控制系统和气瓶组成。所用机械臂型号为Nachi AX-V6，MIG焊采用NBC-500型OTC焊机，如图1所示，运动控制系统通过运动控制器向步进电机发送脉冲信号，以控制具有X轴、Y轴、Z轴三个运动自由度的机械臂。采用Φ1.2焊丝直流反接平焊，接头形式为对接接头，开X型坡口，保护气体Ar 80%+CO₂ 20%，气流量20 L/min，焊接后不进行热处理，焊接参数如表2所示。

疲劳试验采用SDS-100电液伺服疲劳试验机进行，参照GB/T 3075—2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》加工试样，试样尺寸如图2所示，表面粗糙度小于0.2 μm。试验在环境温度（10~35 ℃）下进行，应力比R=-1，加载频率为20 Hz。棘轮变形实验在环境温度（10~35 ℃）下进行，应力比R=0.1，加载频率为10 Hz。

疲劳试验机如图3（a）所示。疲劳试验过程中采用VarioCAM®hr红外热像仪测定材料表面温度，红外热像仪如图3（b）所示。为提高温度数据的准确性，在试样表面涂一层黑色哑光漆。

2 结果与讨论

2.1 Q355ME钢焊接接头疲劳性能分析

2.1.1 基于S-N曲线的疲劳极限评定

疲劳试验的应力幅值为225、250、275、300、350、360、370、380和390 MPa，应力比为0.1。疲劳试验的应力幅值与断裂循环次数的对应关系如表3所示。基于最小二乘法拟合的Q355ME钢焊接接头的S-N曲线如图4所示。通过10⁷循环次数下的试样未断裂定义疲劳极限，拟合的接头S-N曲线的直线方程为\mathrm{l}\mathrm{g}{\sigma }_a=-\mathrm{1.16}\mathrm{l}\mathrm{g}N+\mathrm{16.63}，得出Q355ME钢焊接接头的疲劳极限值为350 MPa。

Q355ME钢焊接接头疲劳断口形貌如图5所示，疲劳裂纹萌生于材料表面的氧化物处，在循环载荷作用下，萌生的微裂纹逐步由稳定扩展过渡到失稳扩展，最终导致疲劳断裂。对比疲劳裂纹稳定扩展和快速扩展区可知，疲劳裂纹快速扩展区中存在着较多的撕裂棱，表明在裂纹快速扩展区产生了更大的塑性变形。瞬断区呈现准解理脆性断口特征，断口中存在明显的解理台阶。

2.1.2 疲劳过程中的变形行为

疲劳试验应力幅值为390 MPa的Q355ME焊接接头的循环应力-应变曲线如图6（a）所示，从图中可以看到，在试验开始时，迟滞回线是不稳定的。随着循环次数的增加，它们向右移动，表明材料中的不可逆循环应变增加。

图6（b）为应力幅值为390 MPa下的疲劳试验过程中Q355ME焊接接头的棘轮应变曲线，Q355ME焊接接头的棘轮效应主要分为三个阶段，在第一阶段随着循环次数的增大，迟滞回线快速向右移动。在第二阶段，材料的滞回线变得逐渐稳定，表明材料中存在明显的塑性变形或棘轮效应。在第三阶段，试样明显变形直至断裂，棘轮应变突然增大。

循环次数i所对应的棘轮应变ɛ_（r，i）可定义为^［12］：

{\epsilon }_{\left(r,i\right)}=\frac{{\epsilon }_{\left(i,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\right)}+{\epsilon }_{\left(i,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\right)}}{\mathrm{2}} .（1）

式中，{\epsilon }_{\left(i,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\right)}\mathrm{和}{\epsilon }_{\left(i,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\right)}分别为第i周期轴向应变的最大值和最小值。

从图6（b）中还可以看出，在2 300循环周次前，温度随循环应变值出现快速上升，这是由于试样产生塑性变形，同时释放大量热量。此后直至27 500循环周次阶段，温度及循环应变值均表现出稳定状态，这是由于在棘轮变形过程中塑性变形产热与散热处于动态平衡状态。试样发生断裂后，温度随循环应变值发生突增，这是裂纹尖端存在大塑性变形且同时释放大量热量，导致产热远大于散热所造成的。

2.1.3 焊接接头在390 MPa疲劳载荷下服役温度演变过程

在390 MPa应力幅值条件下进行疲劳试验，采用红外热像仪对试样表面温度进行监测采集，试样表面的温度变化如图7所示。试样表面温度随循环时间的变化存在4个阶段：初始快速温升、温度稳定、断裂时刻激增和断后冷却。

基于能量耗散理论，在初始快速温升阶段，试样在短时间内产生较大不可逆变形累积并释放能量，且大部分能量以热能的形式释放，从而导致试样表面温度升高。随后在温度平稳阶段，试样在加工硬化的作用下，塑性变形困难，试样产热减小，产热与热耗散达到动态平衡的状态，表现为温度基本保持不变。在断裂阶段，萌生的疲劳裂纹在循环应力的作用下扩展，产生较大的塑性变形，试样断裂瞬间的产热远高于试样耗散的热量，试样表面温度发生突增。之后随着试样逐渐冷却，温度逐渐变化至室温。

2.1.4 基于温度变化的Q355ME钢焊接接头疲劳极限评定

疲劳试验过程中的温度演化归因于机械能在不可逆的热力学过程中转化为热量，而热量则通过传导、对流和辐射向周围介质和环境散失。因此，变形损伤过程可以通过温度的变化间接测量。不同循环应力下的疲劳试验过程中试样在断裂前的温度变化如图8（a）所示，不同应力下焊接接头的温度变化趋势基本相同，均呈现先上升后稳定的趋势。随着施加循环载荷的增大，试样初始的表面温升值也逐渐增大。根据此现象，以不同载荷疲劳试验过程中试样表面温度达到稳定阶段的温升值取值，结果如表4所示，根据温度差值的变化阶段对应循环应力分别进行线性拟合函数表达式分别如下：

ΔT=0.018 6y-2.750 .（2）

ΔT=0.184 0y-56.400 .（3）

在300 MPa以下应力幅值，初始温度升高速率较小。当应力幅值大于300 MPa时，试样初始温升值逐渐增大。由上述线性拟合的曲线交点可得 Q355ME钢焊接接头产生明显塑性变形的拐点，如图8（b）所示。图中拐点与循环载荷下的裂纹萌生与扩展的初始时刻有关，可视为与材料的疲劳极限点相同作用。根据温度-应力曲线测定的疲劳极限（即交点值）为324 MPa，与根据图11所示的S-N曲线拟合的350 MPa相比相差7.4%。

2.2 Q355ME钢焊接接头失效机制研究

2.2.1 循环载荷下疲劳裂纹的显微组织分析

Q355ME钢焊接接头在循环变形过程中的微观组织变化过程如图9所示。由图9（a）显示的位错密度分布可知，在裂纹塑性尖端区附近的晶粒产生了明显的细化和破碎现象，且该区域附近的位错密度更大，表明其应力更集中，更容易产生变形和破坏。这说明在循环加载下，裂纹尖端处应力集中严重，部分晶粒被裂纹直接穿过甚至破碎，进而产生细化效果。从图9（b）的大小角度晶界分布可以看出，裂纹塑性尖端区附近的大角度晶界（HAGB）增多，而其他区域的小角度晶界（LAGB）居多且均匀分布。这说明在循环加载作用下，变形晶粒增多，晶粒内部的位错积累形成位错壁，进而形成小角度晶界（LAGB）遍布于整个基体。随着变形量的增加，裂纹尖端晶粒内的位错数量迅速增加，位错密度不断增大，小角度晶界（LAGB）逐渐转变为大角度晶界（HAGB）^［13-16］，变形量进一步增加后，裂纹尖端晶粒分裂形成小晶粒，在尖端区产生显著的塑性变形和晶粒破碎，这也表明了材料的疲劳破坏是由稳定变形向不稳定破坏变形的转变。

2.2.2 疲劳过程中的变形取向和织构分析

裂纹区域的反极图面分布图（IPF图）如图10所示，裂纹区域的晶粒取向集中在<001>方向，且裂纹尖端区域附近的晶粒取向较集中，表现出良好的变形能力，而远离裂纹区域晶粒取向分布相对随机，织构强度较弱。这也说明裂纹前沿的颗粒在基面滑动作用下具有良好的变形空间，在裂纹尖端区域存在一个由微观缺陷形成的取向差异较小，裂纹更容易扩展的区域。裂纹首先在材料表面的小缺陷处产生，然后沿取向较小的晶粒和内部缺陷扩散。在裂纹扩展过程中，应力集中及位错密度的集中分布，使裂纹尖端晶粒细化并发生显著变形，从而提高了加工硬化程度。在裂纹的作用下，限制其向其他方向的扩展。

2.2.3 疲劳损伤过程中的位错滑移行为

如图11（a）所示，通过几何必要位错密度（GND）图可以显示材料的变形能力。裂纹尖端区域的位错密度远高于远离裂纹区域，表明在疲劳过程中裂纹尖端较大的应力场使该区域产生显著的位错塞积现象，变形潜力巨大。从图11（b）所示的晶粒取向扩展图（GOS图）也可以得到印证，裂纹尖端区域呈红色居多，表明其晶格扭曲强度大，位错密度较高，而远离裂纹尖端区域呈现浅绿色，表明其晶格畸变小，位错分布均匀，也印证了裂纹尖端处的巨大变形潜力。

图12显示了裂纹区域的施密特因子分布图（SF图），在体心立方材料的基面滑移体系中，裂纹尖端区域具有较大的SF值，远离裂纹尖端区域的SF值相对较小，说明裂纹前沿的颗粒在基面滑动作用下具有良好的变形空间。

3 结论

试验了Q355ME钢焊接接头在拉压载荷作用下的疲劳性能，基于温度物理量对Q355ME钢焊接接头的疲劳损伤行为进行了评价，测试了疲劳断裂后裂纹尖端区域的显微组织演变，揭示了材料在疲劳载荷作用下的破坏过程。具体结论如下：

1）在疲劳载荷的作用下，材料内部发生位错的形成和移动，并伴有能量的释放。利用红外热成像仪记录疲劳过程中试样表面的温度变化，可以定位疲劳过程中的危险区域。

2）通过红外温升数据的拟合结果，Q355ME钢焊接接头的疲劳极限值为324 MPa，这与S-N曲线计算得到的疲劳极限值（350 MPa）相比，拟合误差为7.4%，说明通过红外温度这一物理量可以定量评定焊接结构在循环加载过程中的服役能力。作为矿山挖机结构最薄弱环节，焊接接头区域的疲劳强度可近似代表整体结构的服役能力，即矿山挖机整体在承受350 MPa及其以下应力时能够安全服役。

3）疲劳裂纹尖端的EBSD结果表明，裂纹尖端区存在明显的加工硬化效应，晶粒取向倾向于断裂方向。裂纹尖端区的位错密度远高于远离裂纹尖端区处。裂纹扩展过程是裂纹尖端处应力集中和塑性区内大量微损伤区域导致失效的结果。

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基金资助

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