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1、高强钢焊接区“三点弯曲”试验拘束应力的测定 HQ130 钢是目前国内用于焊接结构强度级别最高的钢种,主要用于工程机械高强耐磨部位。该钢除用作工程装载机铲刀刃板外,还可用于起重机抓斗刃口板以及挖掘机、推土机和采煤机等机械设备的刃口部位。高强钢焊接时产生延迟裂纹不仅决定于钢的淬硬倾向和氢的有害作用,还决定于焊接接头所处的应力状态,在某些情况下,应力状态还起决定性的作用。近年来不少研究者在致力于焊接接头区拘束应力的研究13 ,但受现有测试手段及检测设备的限制,对焊接过程中拘束应力的瞬态分布进行准确的试验测定是非常困难的4 。为了阐明外加载荷对HQ130 钢焊接冷裂纹的影响,本文用自行研制“三点弯曲”
2、试验装置测试了外加载荷条件下焊接区应力、应变的变化规律。分析了在不同的焊接条件下,究竟多大的拘束应力会产生焊接裂纹,这个定量数据的确定对避免冷裂纹的产生具有重要的意义。1 试验方法试验母材HQ130 钢是一种低碳调质焊接结构用高强度耐磨钢,抗拉强度为1 300 MPa。该钢含有Cr,Mo,B等多种合金元素,具有高淬透性。试验用HQ130钢供货状态为920 淬火+ 250 回火。该钢的化学成分、热处理(淬火+ 250 回火) 后的力学性能和相变点分别列于表1 、表2 和表3 。该钢经热处理后获得综合性能较好的低碳回火马氏体组织,具有高强度、高硬度以及较好的塑性和缺口冲击韧性。HQ130 钢“三点
3、弯曲”试样尺寸为55mm10mm10mm,每组6块。试样两端各焊制一块引弧板，用台钳将6 块试样夹住，然后在中间堆焊一道焊缝。采用CO2 气体保护焊配合GHS - 70 焊丝进行焊接，工艺参数为：焊接电流130A，焊接电压21V， 焊接速度0.27cm/s。焊后把各个试样分离开,打磨掉焊缝余高,从未堆焊面将试样磨至宽10 mm，厚5 mm。按金相试样的制备方法将试样打磨、抛光并用3 %的硝酸酒精溶液腐蚀,显示出焊接区的轮廓。“三点弯曲”试验装置由自行设计的加载装置、支块、YJ R-5型静态电阻应变仪、应变片及连接导线组成。通过旋转螺杆对试样施加载荷,所加载荷用螺杆旋转的角度表示,称为加载角度。
4、在螺杆施加压力的作用下试样变形,用千分表测量试样弯曲的挠度作为加载量的相对控制参量,通过应变仪读出应变值。加载装置及应变片的位置见图1 和图2 。试块所受的内应力越靠近中性轴,应力越小。按图1 加力, 则底面所受拉应力最大。图1所示的加载装置可简化为见图3 的简支梁。式中:为应变,为应力; E为弹性模量, f为挠度, l为试板宽度, h 为试板板厚2 试验结果及分析 “三点弯曲”试验加载角度与应变的关系见表4和图4,卸载过程应变读数见表5 。由图4 可见,随着加载角度的增大,试样的应变值逐渐增大,经过近似直线的弹性范围后,在加载角度为240270时,应变发生突变,达到塑变区;继续加载到加载角度
5、为360时应变值为15 440 10 - 6 。卸载过程中,应变直线下降;卸载完成后,残余变形恒定, 应变值为8 662 10 - 6 , 为塑性变形。所以HQ130 钢的弹性变形为6 778 10 - 6 。合金钢的弹性模量E 为186206 GPa5 ,由s = E(e-T-s) 可得,s为1 260.71 396.3 MPa。式中e 为可见变形率,T 为自由热变形率,e-T - s为屈服变形率。常温下HQ130 钢的s为1 313 MPa ,处于此范围之内,表明所得到的试验数据可靠。根据公式E =s/(e-T-s),将HQ130 钢的s ( 1 313 MPa) 和弹性变形(6 7781
6、0-6) 代入可得,常温下HQ130 钢的弹性模量E为1.9410(5) MPa 。实测应变与计算应变的关系见表6和图5,应变的公式计算值大于实测值279%4.5%。差值百分比在初始加载时和塑变发生时较大(已失去实际意义) ,塑变发生后随着应变的增大,差值百分比变小,当加载角度达到360时,差值百分比只有4.5 %。 发生上述现象可能是由下列原因造成的: 试样在屈服点以前就发生了塑性变形,而所用公式为完全弹性公式,所以公式值与实测值有偏差; 用千分尺测挠度,易产生误差; 垫块和螺杆端部磨制得比较薄,加力之初,垫块和螺杆易于变形,所以偏差较大;到加大角度后,垫块和螺杆变形变得困难,偏差较小。尽管
7、应变的公式计算值和实测值之间存在着一定的偏差,但二者的总体趋势是一致的,在要求不太严格或只要求获得应变变化规律的情况下,仍可用公式法粗略估算。在弹塑性范围内,应力= E(e-T-s)。将所测应变及HQ130 钢的E 值代入可得各加载角度对应的应力值,见表7 。由图6 和表7 可见,随着外加载荷的增加,试样内产生的应力逐步增大。当加载角度为240270时,应力有下降的趋势,这是由于应力值是根据弹性关系得出的,而此时试样已发生了塑性变形,故应力值比实际值要偏小一些;随后应力值又逐步增大,直至超过HQ130 钢的屈服极限。所测应力值大于HQ130 钢的拉伸强度b (1 370 MPa) 而试样却未裂
8、，是由于此时计算应力用的是弹性模量E ,实际上应该用塑性模量E，一般情况下En E ，故计算应力远远大于实际应力,塑变以后偏差可能更大。在金相显微镜下观察经“三点弯曲”后的试样发现,焊缝中先共析铁素体有规律的发生弯曲,弯曲方向与试样弯曲方向一致,而针状铁素体与珠光体无明显变形。熔合区附近的原奥氏体晶界沿变形方向有所拉长,由原来的近似六边形变化为近似长方形;垂直于熔合区成长的组织发生一定角度的偏移,偏移方向与试样的变形方向相同。随加载力的增大,这些组织的变形增大,方向性增强。熔合区附近的低碳马氏体组织较粗大,裂纹沿条状组织扩展比横穿条状组织容易,故裂纹在此处扩展所需的能量小,容易在此处产生。“三
9、点弯曲”试验表明,外加载荷促进了熔合区附近裂纹的产生和扩展。焊接熔合区存在着的相界、杂质和微观缺陷是潜在的裂纹源,在应力的作用下形成应力集中的三向应力区,当应力进一步增大时,促使缺陷扩展而形成裂纹。微裂纹尖端又作为应力集中部位使新的位错在其周围聚集,随变形量的增大又产生新的裂纹扩展。高强钢焊接裂纹从孕育、萌生、扩展以至开裂,由许多单个间歇式的微裂纹汇合而成,裂纹扩展是不连续的。3 结论(1)“三点弯曲”试验结果表明,外加载荷增大,焊接试样的应力应变值逐渐增大,经过近似直线的弹性范围后,达到塑变区后应变发生突变。(2) 所测应力值大于HQ130 钢的拉伸强度b(1 370 MPa) 时试样却未裂,是由于计算应力用的是弹性模量E , 实际上应该用塑性模量E, 一般情况下En E ,故计算应力远远大于实际应力。(3) 尽管应变的公式计算值和实测值之间存在着一定的偏差,但二者的总体趋势是一致的,在要求不太严格或只要求获得应变变化规律的情况下,仍可用公式法估算。文章来源：http:/
