Q235母材及焊接接头超声疲劳试验

Q235母材及焊接接头超声疲劳试验王康，霍立兴，王东坡，吴良晨天津大学材料科学与工程学院，天津(300072）E-mail : risewk@摘要：超声疲劳是指疲劳周次达到109及以上时材料的疲劳行为，超声疲劳试验是一种可以可靠的进行109以上循环周次的疲劳试验方法。

本文内容主要包括超声疲劳的发展；超声疲劳试验系统的组成部分；超高周次循环载荷下，Q235母材及焊接接头试件的S-N曲线特征、断口特征及疲劳裂纹萌生源等。

超声疲劳S-N曲线呈持续下降形，并没有出现疲劳极限。

关键词：超声疲劳；S-N曲线；焊接接头；裂纹次表面萌生1．引言随着现代产业的发展，许多工业部门（如飞机，汽车以及近海结构等），其零部件经常承受高频低幅载荷，重复循环载荷次数可高达109周次以上。

用超声疲劳实验技术得到的材料超高周疲劳性能研究表明，许多材料直到1010个应力循环以后依然发生疲劳断裂[1~6]。

因此用107周次常规疲劳试验数据对零部件进行疲劳强度设计不安全。

为了适应工程的需要，保证构件的安全性，有必要而且必须研究材料在107周次以上的超高周疲劳性能。

20世纪50年代，Manson[ 7]首先采用压电磁致伸缩原理发明了超声疲劳试验机（加载频率在15KHz~40KHz之间），其原理是现代超声疲劳试验技术的基础。

1959年，Neppiras首次将超声疲劳试验技术用于材料疲劳的S-N曲线测定。

1973年，Mitsche等率先将这一技术用于测量疲劳裂纹扩展。

由于这一试验技术对航空航天领域部件的实际承载状态有较好的模拟，便于研究其机械损伤，近年来各航空大国(美、法等)争相投入较大的人力、物力和财力进行全面研究，研究领域逐渐拓宽，其研究包括各种加载形式及环境条件下工程材料的超高周次疲劳寿命、裂纹扩展试验，研究的材料包括各航空航天、汽车、海洋工程等工业部门关键结构中用到的钢、铝、钛等。

美国ASM已经正式将超声疲劳试验纳入《Metal Handbook, Vol.8, Mechanical Testing》中，并且开始进行规范试验方法的工作。

超声疲劳试验机的典型频率为20KHz，如此的高的频率不仅可以节省疲劳试验时间，还可以测得N>107周次超高周疲劳性能。

例如用一台20Hz的常规试验机对一个试件进行循环加载，要达到109个应力循环需要14个多月，同样的试验用超声疲劳试验机则只要14个小时。

本文采用天津大学自主研发的超声疲劳试验系统，分别进行了Q235母材和Q235焊接接头试件的超高周疲劳性能研究，测定了106~1010周次范围内的超声疲劳S-N曲线，并用扫描电镜对超声疲劳断口的微观形貌进行分析研究。

2. 超声疲劳试验2.1 超声疲劳试验系统的组成超声疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其实质是在被加载试件上建立机械谐振波。

超声疲劳试验可用的频率范围为15~40KHz，但系统的共振频率一般按照20KHz进行设计，应用这一频率考虑以下两个因素[8]：(1)18KHz以上的频率值超出了人的听力范围 ，这样可以减少超声对人耳的损伤。

(2)试件的共振长度与超声频率成反比例关系，因此适合的测试频率是有一定范围的。

对大多数金属材料，10～40KHz的频率范围对应的试件共振长度大约为5～15cm。

通过以上两点得出20KHz这一频率即考虑了人身安全又结合了试件的尺寸设计。

图1 超声疲劳加载系统及位移、应力曲线超声疲劳试验系统分两部分：一是超声疲劳试验加载系统；二是数据采集和传输系统。

加载系统如图1所示，其主要组成和功能如下：(1)超声频率发生器：将50Hz的电信号转化为20KHz的超声正弦波电信号输出，通过调整电压来改变正弦波的振幅。

(2)压电陶瓷换能器：将电源提供的交频电信号转化成同样高频率的机械振动信号。

(3)聚能器：放大（或特别情况下减小）来自压电换能器的机械振动幅度，并与试件构成谐振系统，在试件中建立交变应变场，使试件获得所需要的应变振幅。

聚能器和安装的试件均需要满足具有20KHz的共振频率。

(4)试件:设计为狗骨形状。

试验数据采集和传输系统主要由数据采集和传输装置、测试软件、动态应变仪、示波器和计算机组成。

用计算机辅助控制，可以随机调控加载水平，实时测量、记录试验参数。

2.2 超声疲劳试件图2 Q235母材超声疲劳试件图3 Q235焊接接头超声疲劳试件（等截面20mm ）超声疲劳试验中，试件所用材料为Q235，E d ＝210GPa，3/8.7cm g =ρ。

Q235母材试件设计为中间无等截面的圆柱狗骨形，见图2。

试件具体尺寸为2R 1＝4.9mm ，2R 2＝16mm ，2L ＝60mm ，L 1＝20mm ，L 2＝10mm 。

Q235焊接接头试件也是采用圆柱狗骨形，但中间有一段等截面段，见图3。

试件尺寸为2R 1＝4.9mm ，2R 2＝16mm ，2L ＝65mm ，L 1＝10mm ，L 2＝20mm ，L 3＝2.5mm 。

2.3 试验条件超声疲劳试验系统测定Q235母材及焊接接头试件的S-N曲线，载荷循环周次范围在106～1010间。

超声疲劳试验施加载荷为轴向拉－压对称循环载荷，应力比R ＝-1，系统的谐振频率为20KHz 。

试验在室温下进行。

试件共振时，由于吸收超声振动能量和内部的摩擦[8]，会产生升温现象，试验中采用水冷方式，使试件表面温度与室温相当。

3. 试验结果3.1 S-N曲线图4给出了Q235母材及焊接接头试件的超声疲劳S-N 曲线。

Q235母材试件疲劳（f=20KHz,R= -1）S-N 曲线呈现“连续下降形”，在106~107循环周次范围内，S-N 曲线无水平平台，下降趋势没有发生显著变化，不存在传统疲劳概念上的“疲劳极限”和无限寿命。

超声疲劳试验结果显示：Q235母材在107循环周次下对应的条件疲劳极限为375MPa 左右，109循环周次对应的条件疲劳极限为250MPa 左右，后者明显低于前者且降幅达200多MPa ，在应力幅值大幅下降的情况下， 109循环周次及以后，试件依然能够发生疲劳断裂。

Q235焊接接头试件疲劳S-N 曲线也呈现“连续下降形”，在应力幅很低的情况下，只要循环周次足够长，试件就会断裂。

Q235焊接接头试件在107循环周次下对应的条件疲劳极限为155MPa 左右，109循环周次对应的条件疲劳极限为118MPa 左右，后者也低于前者。

因此用107循环周次下的条件疲劳极限去设计服役寿命在109循环周次以上的构件很危险。

通过比较母材试件与焊接接头试件疲劳S-N 曲线得出，母材抗疲劳强度远高于焊接接头。

相同循环周次下，母材试件能够承受的最大应力值要比焊接接头试件高140MPa 还要多。

如同样在109循环周次下，Q235焊接接头试件在应力达到105MPa 左右时就会发生疲劳断裂，而Q235母材试件对应的应力为250MPa 左右。

050100150200250300350400450最大应力(M P a )N图4 Q235超声疲劳S-N 曲线 3.2 疲劳断口a 母材试件b 焊接接头试件 图5 疲劳裂纹 宏观上看无论母材试件还是焊接接头试件，疲劳裂纹都位于中部最大应力横截面处，而且焊接接头疲劳裂纹都是从焊趾位置开裂，见图5。

图6, 图7分别了给出了Q235母材及焊接接头试件超高周次循环载荷下的疲劳断口形貌，其中图6-a 、图7-a 为裂纹源区高倍放大图像。

从图中看出母材试件的断口比较平滑、均匀，几乎在一个平面内，而焊接接头试件的断口比较粗糙，凹凸不平。

说明焊接接头位置与母材相比有较多缺陷，导致抗疲劳强度远低于母材。

对母材试件疲劳断口形貌扫描电镜分析显示，超高周情况下疲劳裂纹在试件内部或次表面夹杂等缺陷处萌生[9]，图6为=max σ251.44MPa, N f =4.36×108 cycles 时疲劳断裂试件的扫面电镜(SEM)断口形貌。

对夹杂进行能谱分析，发现这些夹杂主要是由O, S, Cl, Zn, Si 及K 等元素组成的氧化物。

a b图6 Q235母材试件超声疲劳断口形貌(=max σ251.44MPa, N f =4.36×108 cycles )(a) 裂纹在试件次表面夹杂处萌生 (b) 疲劳裂纹源低倍形貌图7为=max σ126.86MPa, N f =2.32×109 cycles 时焊接接头试件的扫描电镜断口微观形貌，疲劳裂纹多源开裂，电镜扫描分析显示超高周情况下疲劳裂纹在试件表面或次表面夹杂处（焊趾位置）萌生，这是由于焊接接头位置缺陷较多并且应力集中造成的。

能谱分析显示，疲劳裂纹源夹杂主要是O, S, Cl, Mn, Si 及Ca 等元素组成的氧化物。

a b图7 Q235焊接接头试件超声疲劳断口形貌（=max σ126.86MPa, N f =2.32×109 cycles ）(a) 疲劳裂纹源，裂纹在试件次表面萌生 (b) 断口低倍形貌，显示疲劳裂纹多源形核与低周疲劳断裂机制不同，超高周情况下裂纹萌生源从试件表面向内部转移。

超高周情况下应力幅很低，在试件表面形成疲劳裂纹所需的塑形变形量不足，表面裂纹萌生机制停止；而材料内部或次表面夹杂等缺陷在长时间疲劳载荷作用下与基体剥离并形成微观裂纹，裂纹不断扩展最终导致试件疲劳破坏。

由于焊接接头试件焊趾位置缺陷很多并且应力集中，超高周情况下疲劳裂纹也有从焊趾表面萌生的。

关于疲劳裂纹萌生从表面向内部转移还有以下几种观点[10]。

Mughrabi [11]认为，传统的疲劳极限相当于“PSB 极限”，低于该极限，相应于某一表面粗糙度，表面的不可逆滑移可以忽略。

但是，每一个循环仍会造成不可逆的应变，虽然该应变比PSB 中的局部应变要小的多。

在经过足够长的周次之后，最终的疲劳失效还是会发生，Bathias [12]也持有这种观点。

而Miller 等[13]认为，由于载荷的降低，表面的第一阶段剪切裂纹不能穿越界面进入下一个晶粒，因而不能形成第二阶段的拉伸裂纹；而内部某处的应力集中导致第一阶段裂纹然后形成第二阶段裂纹。

4. 结论(1) Q235在106~1010循环周次范围内疲劳寿命(S-N)曲线，无论母材试件还是焊接接头试件，没有水平平台，始终保持下降的趋势，因此传统疲劳设计规范只用107以内的数据进行疲劳强度设计很危险。

(2) 焊接对材料的超高周疲劳寿命影响明显，与母材相比焊接接头大幅度的缩短材料的疲劳寿命，减小材料的抗疲劳强度。

(3) 疲劳裂纹位于试件中部最大应力所在横截面，且焊接接头疲劳裂纹从焊趾位置开裂。

(4) 扫面电镜分析表明，在超高周（106~1010）范围内，母材疲劳裂纹萌生于材料内部或次表面夹杂等缺陷处，而焊接接头试件疲劳裂纹萌生于材料次表面或表面处夹杂。