磨損通常是局部的，所以用焊接修復(fù)或填充受損區(qū)域更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)硬質(zhì)焊接金屬直接用于硬質(zhì)金屬基底時(shí)，會(huì)在焊接界面上產(chǎn)生巨大的殘余應(yīng)力，并產(chǎn)生焊接缺陷。當(dāng)你進(jìn)行焊接時(shí)，會(huì)有一個(gè)熱影響區(qū)，當(dāng)這個(gè)區(qū)域冷卻下來時(shí)，焊接會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如果焊接不正確，焊接會(huì)使材料的韌性降低高達(dá)50%，從而使金屬非常脆，所有這些因素結(jié)合在一起會(huì)使焊接點(diǎn)成為一個(gè)問題區(qū)域。該研究調(diào)查了拉伸過載 (OL) 對高強(qiáng)度低合金鋼的影響，這種高強(qiáng)度低合金鋼廣泛用于采礦業(yè)的儲(chǔ)罐和挖掘機(jī)鏟斗等設(shè)備。

焊接高強(qiáng)度低合金 (high-strength low-alloy, HSLA) 部件廣泛用于汽車、運(yùn)輸設(shè)備、儲(chǔ)罐、挖掘機(jī)鏟斗、高層建筑和引風(fēng)機(jī)。焊接部件通常在一系列不同的負(fù)載下運(yùn)行。充分了解實(shí)驗(yàn)室測試的焊接 HSLA 樣品在不同焊接和結(jié)構(gòu)條件下的疲勞行為顯然是有益的。這是因?yàn)榭梢圆捎靡汛_定的增強(qiáng)抗疲勞性和疲勞壽命的機(jī)制來提高那些焊接 HSLA 結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命。

在此之前已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，以提高焊接部件的疲勞性能，并將相關(guān)焊接工藝的任何不利影響降至最低。來自印度理工學(xué)院魯爾基分校的Prasad 和 Dwivedi 在2008年研究了焊接工藝相關(guān)參數(shù)（焊接電流/電壓/速度、熱輸入）對焊接 HSLA 鋼的微觀結(jié)構(gòu)、硬度和韌性的影響。他們發(fā)現(xiàn)，通過改變焊接電流和焊接速度，增加熱量輸入會(huì)使晶粒結(jié)構(gòu)粗化，從而降低焊縫金屬 (weld metal, WM) 和熱影響區(qū) (heat-affected zone, HAZ) 的硬度。不同焊接方法（如埋弧焊和氣體保護(hù)焊）形成的焊接接頭的 WM 和 HAZ 的疲勞性能低于母材 (parent metal, PM) ，因?yàn)榇嬖诶�伸殘余�?yīng)力。然而，激光多次回火工藝或適度的焊后熱處理（525°C 下 1 小時(shí)）可以大大提高 WM 和 HAZ 的疲勞裂紋擴(kuò)展性能，因?yàn)殡S后的疲勞裂紋擴(kuò)展速率 (da/dN) 與 PM 相似。

本研究嘗試直接測量OL (over loading, 拉伸過載) 誘導(dǎo)塑性變形 (plastic deformation, PD) 在厚度方向沿疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的 10 mm 厚的不同焊縫修復(fù) HSLA 樣品中的厚度方向，以及相應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展。通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 對保持一小時(shí)的拉伸 OL 產(chǎn)生的裂紋尖端損傷區(qū) (damage zone, DZ) 的詳細(xì)特征進(jìn)行了表征。拉伸 OL 引起的 PD 提供了裂紋尖端相關(guān)殘余壓應(yīng)力的間接測量，拉伸 OL 對疲勞的積極影響明顯超過了 DZ 的負(fù)面影響。本研究的主要目的是測量詳細(xì)的 OL 引起的 PD 分布，并了解 WM 和 PM 之間的軟緩沖層 (buffer layer, BL) 如何與拉伸 OL 相互作用。沿疲勞裂紋路徑通過 WM、BL 和 PM 的 OL 引起的 PD 分布可以提供有關(guān)選擇合適的 WM 和 BL 以連接或修復(fù) HSLA 結(jié)構(gòu)的更多信息。

拉伸過載 (over loading, OL) 的影響

在整個(gè)疲勞試驗(yàn)中，基礎(chǔ)疲勞載荷是最大載荷 30 kN 和應(yīng)力比 R 為 0。在與 WM、BL 和 PM 之間的邊界相關(guān)的兩個(gè)選定裂紋長度處應(yīng)用兩個(gè)具有一小時(shí)保持時(shí)間的 OL。第一次 OL 為 70 kN，第二次 OL 為 52 kN，大約是疲勞幅度 30 kN 的兩倍。

圖1顯示了在有和沒有 BL 的焊縫修復(fù) HSLA 中沿疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的 OL 誘導(dǎo) PD 分布，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和最小二乘法（LSM）曲線表明，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到大約 10 毫米。首先，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到大約 10 mm 時(shí)，測試了焊接修復(fù)的 HSLA 樣品中的 PD 變化。在沒有 OL 的情況下，厚度方向沿裂紋擴(kuò)展路徑的 PD 通過顯示 10 mm 厚度為零。零變形是由于疲勞試驗(yàn)中的小載荷幅值。因此，零 PD 被假定為基線或數(shù)據(jù)。然后測量在應(yīng)用第一個(gè) OL 后焊接修復(fù)的 HSLA 樣品（有和沒有 BL）中的 OL 引起的變形。PD 幅度與到第一個(gè) OL 應(yīng)用點(diǎn)的距離成線性關(guān)系。最大震級出現(xiàn)在該點(diǎn)（或裂紋尖端）處，并隨著距該點(diǎn)距離的增加而減小。

▲圖1. 帶有和不帶有 BL 以及帶有和不帶有第一個(gè) OL 的焊縫修復(fù) HSLA 中沿裂紋擴(kuò)展路徑的 PD 分布。(a). 有和沒有第一個(gè) OL 的焊接修復(fù) HSLA（無 BL）的 PD 分布。(b). 帶有和不帶有第一個(gè) OL 的 4 mm BL 的焊縫修復(fù) HSLA 的 PD 分布。(c). 帶有和不帶有第一個(gè) OL 的 4 mm BL 的焊縫修復(fù) HSLA 的 PD 分布。

緩沖層及其厚度的影響

為了強(qiáng)調(diào) BL 對 OL 測試條件下焊縫修復(fù) HSLA 的影響，選擇無 BL 焊縫修復(fù) HSLA 的 OL 誘導(dǎo) PD 分布和巴黎疲勞曲線作為參考性能，并與焊縫性能進(jìn)行比較 -修復(fù)了帶有 BL 的 HSLA，如圖2所示用于 PD 測量，圖3用于疲勞行為。為了強(qiáng)調(diào) BL 厚度變化的影響，圖4中進(jìn)一步比較了 4 毫米和 10 毫米 BL 的焊縫修復(fù) HSLA。

▲圖2. 有和沒有 BL 的焊縫修復(fù) HSLA 中沿裂紋擴(kuò)展路徑的 OL 誘導(dǎo)的 PD 分布的比較。(a). 焊縫修復(fù)的 HSLA 樣品與 4 mm BL 或無 BL 的比較。(b). 焊縫修復(fù) HSLA 樣品與 10 mm BL 或無 BL 的比較。

▲圖3. OL 測試條件下有或沒有 BL 的焊縫修復(fù) HSLA 的巴黎疲勞曲線比較。(a) 焊縫修復(fù)的 HSLA 樣品與 4 mm BL 或無 BL 的比較。(b) 焊縫修復(fù) HSLA 樣品與 10 mm BL 或無 BL 的比較。

▲圖4. 4 毫米和 10 毫米 BL 焊縫修復(fù)的 HSLA 樣品的比較。(a) 沿疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的 OL 誘導(dǎo) PD 分布。(b) OL 測試條件下的巴黎疲勞曲線。

掃描電鏡觀察

使用 SEM 檢查在 OL 測試條件下有和沒有 BL 的焊縫修復(fù) HSLA 的疲勞/斷裂表面，特別強(qiáng)調(diào)由拉伸 OL 引起的損傷區(qū) (DZ) 周圍的區(qū)域。為了將顯微觀察與相關(guān)位置相關(guān)聯(lián)，疲勞/斷裂曲線（宏觀圖）被標(biāo)記并相應(yīng)編號。

根據(jù)上述描述，圖5顯示了沒有BL的焊縫修復(fù)HSLA的宏觀輪廓、位置和 SEM 詳細(xì)信息，圖6顯示了具有4 mm BL的焊縫修復(fù)HSLA的詳細(xì)信息，圖7顯示了帶有10 mm BL的焊縫修復(fù)HSLA的詳細(xì)信息。

▲圖5. 沒有 BL 的焊縫修復(fù) HSLA 中 OL 誘導(dǎo)損傷區(qū) (DZ) 的疲勞表面概覽和 SEM 細(xì)節(jié)。(a). OL 誘導(dǎo) DZ 的疲勞表面概述。(b). (a)中矩形1的放大圖。(c). (a) 中矩形 2 的放大圖。(d). (b) 中矩形3的放大圖。

▲圖6. 具有 4 mm BL 的焊縫修復(fù) HSLA 的疲勞表面概覽和 SEM 細(xì)節(jié)，顯示了 DZ 和附近塑性變形區(qū) (PDZ) 的細(xì)節(jié)。(a). OL 誘導(dǎo) DZ 的疲勞表面概述。(b). (a) 中矩形 1 的放大圖。(c). (a) 中矩形 2 的放大圖。(d). (b) 中矩形 3 的放大圖。

▲圖7. 具有 10 mm BL 的焊縫修復(fù) HSLA 的疲勞表面概覽和 SEM 細(xì)節(jié)，顯示了 DZ 和 PDZ 附近的細(xì)節(jié)。(a). OL 誘導(dǎo) DZ 的疲勞表面概述。(b). (a) 中矩形 1 的放大圖。(c). (a) 中矩形 2 的放大圖。(d). (b) 中矩形 3 的放大圖。

在OL測試條件下，具有10毫米緩沖層的焊接修復(fù)合金的疲勞壽命比沒有緩沖層的焊接修復(fù)鋼的疲勞壽命大大約6倍。

本文來源：Chunguo Zhang, Xiaozhi Hu, Pengmin Lu, Gaiping Zhang, "Tensile overload-induced plastic deformation and fatigue behavior in weld-repaired high-strength low-alloy steel," Journal of Materials Processing Technology, Volume 213, Issue 11, November 2013, Pages 2005-2014, ISSN 0924-0136, dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.05.018.