CN109883826B - 非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，包括如下步骤：在设定的应变幅下对试样进行低周疲劳测试，观察断裂位置；将试样在静态拉伸机进行静态拉伸试验，观察断裂位置；选取焊接接头的金相试样，采用硬度计对焊接接头的非均匀组织硬度分布规律进行标定；对比分析低周疲劳测试断裂试样、静态拉伸试验断裂试样的断裂位置，结合焊接接头非均匀组织硬度分布规律，判断试样低周疲劳失效断裂位置；以包含低周疲劳失效断裂位置的一个区间的中心为低周疲劳试样加工中心重新加工试样，重新加工的低周疲劳试样的标距包含断裂区域；将重新加工的试样再次进行低周疲劳测试，分析低周疲劳测试结果，获得焊接接头断裂区域的应变寿命方程。
Description
技术领域
本发明涉及厚板焊接接头非均匀组织低周疲劳评估领域，具体地涉及一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法。
背景技术
现行低周疲劳测试标准GB-T 15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》中，仅仅对均匀材料的低周疲劳性能测试方法提出了明确要求。而对于焊接接头的低周疲劳性能测试一般也参照该标执行。厚板焊接接头一般采用多层多道焊方法，低周疲劳测试时，引伸计夹持部分一般包括母材、热影响区及焊缝。其中，根据材料不同，一般调制钢热影响区又分为粗晶区、细晶区、两相区及过回火区。低周疲劳测试时，基于控制引伸计量程部分内的应变，来测试不同应变下的寿命。因此，该应变是引伸计内所有组织发生的总应变量的平均值，而并非是断裂区的实际应变，导致求出的疲劳特征参数与实际有偏差，影响对整个焊接接头的低周疲劳性能评估。
厚板焊接接头焊接时，由于焊缝填充材料的引入和焊后快冷，使得焊缝内强度较高，而热影响区是焊缝和母材的过渡区，组织和强度不连续。尤其是热影响区过回火区，热循环温度高于回火温度，碳化物大量析出并长大，使得再焊后热处理时该区域仍然不可逆，是整个接头低周疲劳容易断裂区域。
目前，焊接转子在核电和火电的使用，大大节约了转子成本及生产周期，获得广泛的应用。厚板钢焊接时，采用多层多道弧焊方法，焊接接头焊缝尺寸一般在10mm以上，而单侧热影响区尺寸一般在1mm以上。整个焊接接头的低周疲劳测试时，则要求引伸计夹持部分必须大于12mm，以确保测试区域包含焊缝、热影响区及部分母材。引伸计夹持部分各区域实际伸长量不一致，软化区域疲劳时伸长量较大，应变贡献较多，成为疲劳失效也最容易在该处发生。
申请为201811327748.7的专利申请公开了一种超薄汽车钢板低周疲劳性能的快速评价方法，该方法通过板材的薄箔试样在悬臂梁对称弯曲疲劳加载方式下的疲劳寿命测试结果，评价该类材料的低周疲劳寿命。通过建立薄箔试样弯曲挠度与最大应变间的关系以及薄箔试样厚度的选择，实现对超薄汽车钢板应变控制的疲劳加载与疲劳寿命的评价。本发明可以测试超薄汽车钢板在大应变条件下的疲劳循环寿命，为超薄汽车钢板难以获得其在轴向拉-压疲劳加载条件下的低周疲劳寿命测试提供一种快速评价方法。此方法对于超薄板适用，对于厚板焊接不适用。
鉴于以上分析，低周疲劳评定，其实是对疲劳断裂位置处的疲劳评定，如何确保实际测量的应变接近断裂位置处的所发生的真实应变呢？本发明针对一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能评估时，提出了一种断裂位置处低周疲劳的评定方法，该方法能够精确评估焊接接头的低周疲劳性能，对断裂位置处低周疲劳寿命进行准确预测。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法。
根据本发明提供的一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，包括如下步骤：
步骤A，其中，所述步骤A包括如下步骤：
初始低周疲劳测试步骤：根据焊接接头非均匀组织特征和低周疲劳试验标准，加工低周疲劳试样，低周疲劳试样标距内包含母材、焊缝及热影响区，选取引伸计，引伸计标距内包含母材、焊缝及热影响区，在设定的应变幅下进行低周疲劳测试，直至试样断裂，将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀，观察断裂位置；
静态拉伸试验步骤：将低周疲劳试样在静态拉伸机进行静态拉伸试验，将断裂后的静态拉伸的低周疲劳试样进行腐蚀，观察断裂位置；
硬度分布标定步骤：选取焊接接头的金相试样，采用硬度计对焊接接头的非均匀组织硬度分布规律进行标定；
步骤B：对比分析低周疲劳测试断裂试样、静态拉伸试验断裂试样的断裂位置，结合焊接接头非均匀组织硬度分布规律，判断试样低周疲劳失效断裂位置及断裂位置处所对应的微观组织区域；
步骤C：以低包含周疲劳失效断裂位置的一个区间的中心为低周疲劳试样加工中心重新加工低周疲劳试样，所述重新加工的低周疲劳试样的标距包含断裂区域，根据试样标距选择引伸计，确保试样断裂在引伸计标距以内；
步骤D：将重新加工的低周疲劳试样再次进行低周疲劳测试，分析低周疲劳测试结果，求出低周疲劳特征参数，获得焊接接头断裂区域的应变寿命方程。
优选地，步骤A中，在初始低周疲劳测试步骤，分别将低周疲劳试样在低应变幅下、高应变幅下进行低周疲劳测试，判断低周疲劳试样的在两种应变幅值下的断裂位置。
优选地，步骤A中，初始低周疲劳测试步骤、静态拉伸试验步骤、硬度分布标定步骤依次执行，或者初始低周疲劳测试步骤、硬度分布标定步骤、静态拉伸试验步骤依次执行，或者静态拉伸试验步骤、初始低周疲劳测试步骤、硬度分布标定步骤依次执行，或者静态拉伸试验步骤、硬度分布标定步骤、初始低周疲劳测试步骤依次执行，或者硬度分布标定步骤、初始低周疲劳测试步骤、静态拉伸试验步骤依次执行，或者硬度分布标定步骤、静态拉伸试验步骤、初始低周疲劳测试步骤依次执行。
优选地，步骤B中，以焊接接头非均匀组织硬度分布中的硬度最低值、低周疲劳测试断裂位置、静态拉伸试验断裂位置为判据，其中任何两个判据相吻合，即判定为试样低周疲劳失效断裂位置及断裂位置处所对应的微观组织区域。
优选地，步骤C中，以低周疲劳失效断裂位置为低周疲劳试样加工中心重新加工低周疲劳试样，重新加工的低周疲劳试样标距长度相对第一次加工的低周疲劳试样的标距长度变短，选用的引伸计长度也变短。
优选地，步骤C中，所述断裂区域为包含断裂位置的一段区域，所述断裂区域对应一段硬度分布范围，以断裂区域作为低周疲劳试样的平行段长度重新加工低周疲劳试样。
优选地，步骤C中，所述断裂区域的长度相较于初始低周疲劳测试的应变测试区域变短。
优选地，步骤D中，将重新加工的低周疲劳试样再次进行低周疲劳测试，确保断裂位置在引伸计标距以内，若断裂位置在引伸计标距之外，重新进行低周疲劳测试。
优选地，步骤D中，采用能量法或Mansion-Coffee方程来求出低周疲劳特征参数。
优选地，所述低周疲劳试样为圆棒。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明针对焊接接头非均匀组织低周疲劳测试时，通过低周疲劳试验，并结合接头的静态拉伸性能及硬度分布特征，判断接头的疲劳断裂位置，基于对断裂位置处对整个接头的应变测量及寿命评估，修订了材料在大引伸计量程下的断裂区域的应变量，提高了接头寿命评估精度。
2、本发明对焊接接头非均匀组织低周疲劳测试后，能够获得非均匀组织焊接接头的实际应变与其寿命的对应关系，为合理预估焊接接头的低周疲劳寿命提供可靠的数据支撑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为初始低周疲劳试样断裂位置判断示意图。
图2为本发明重新加工的低周疲劳试样。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明属于厚板焊接接头非均匀组织低周疲劳评估领域，主要涉及厚板多层多道焊所致焊接接头组织不均匀的低周疲劳性能测试，具体涉及一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试过程中对实际断裂区的应变进行有效测量，从而完成非均匀组织焊接接头低周疲劳性能评定。针对厚板焊接接头非均匀组织低周疲劳评估过程中，焊缝宽度在20mm左右，而热影响区尺寸约2mm左右。厚板焊接接头的低周疲劳测量所采用的引伸计应变范围包含母材、焊接热影响区以及焊缝等多个区域，区域内组织和性能不均匀导致引伸计内实际应变量非均匀分布，从而出现疲劳断裂位置所实际产生应变和加载应变不对应，导致标准中规定采用Manssion-Coffin方程求出的应变疲劳寿命方程出现误差。本发明针对焊接接头非均匀组织的低周疲劳性能，依靠低周疲劳性能测试标准，并结合非均匀组织的尺寸及硬度分布加工低周疲劳试样。低周疲劳试样以硬度最低点为加工中心线，整个引伸计的测量距离应覆盖至少一半焊缝长度以上。测试完毕后采用Manson-Coffin方程或能量法对应变寿命方程进行预测。本发明通过对低周疲劳试样静态拉伸试验、测试硬度分布及低周疲劳断裂位置，准确判断低周疲劳断裂位置，通过选择能够包含断裂位置处的最小引伸计尺寸，进行低周疲劳寿命有效评定。本发明的技术原理是利用焊接接头组织分布特征，准确判断处低周疲劳断裂位置，从而完成对断裂位置处低周疲劳有效及准确的评定。
根据本发明提供的一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，包括如下步骤：
步骤A，其中，所述步骤A包括如下步骤：
初始低周疲劳测试步骤：根据焊接接头非均匀组织特征和低周疲劳试验标准，加工低周疲劳试样，低周疲劳试样标距内包含母材、焊缝及热影响区，选取引伸计，引伸计标距内包含母材、焊缝及热影响区，在设定的应变幅下进行低周疲劳测试，直至试样断裂，将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀，观察断裂位置；
静态拉伸试验步骤：将低周疲劳试样在静态拉伸机进行静态拉伸试验，将断裂后的静态拉伸的低周疲劳试样进行腐蚀，观察断裂位置；
硬度分布标定步骤：选取焊接接头的金相试样，采用硬度计对焊接接头的非均匀组织硬度分布规律进行标定；
步骤B：对比分析低周疲劳测试断裂试样、静态拉伸试验断裂试样的断裂位置，结合焊接接头非均匀组织硬度分布规律，判断试样低周疲劳失效断裂位置及断裂位置处所对应的微观组织区域；
步骤C：以包含低周疲劳失效断裂位置的一个区间的中心为低周疲劳试样加工中心重新加工低周疲劳试样，所述重新加工的低周疲劳试样的标距包含断裂区域，根据试样标距选择引伸计，确保试样断裂在引伸计标距以内；
步骤D：将重新加工的低周疲劳试样再次进行低周疲劳测试，分析低周疲劳测试结果，求出低周疲劳特征参数，获得焊接接头断裂区域的应变寿命方程。
步骤A中，在初始低周疲劳测试步骤，分别将低周疲劳试样在低应变幅下、高应变幅下进行低周疲劳测试，判断低周疲劳试样的在两种应变幅值下的断裂位置。步骤A中，初始低周疲劳测试步骤、静态拉伸试验步骤、硬度分布标定步骤依次执行，或者初始低周疲劳测试步骤、硬度分布标定步骤、静态拉伸试验步骤依次执行，或者静态拉伸试验步骤、初始低周疲劳测试步骤、硬度分布标定步骤依次执行，或者静态拉伸试验步骤、硬度分布标定步骤、初始低周疲劳测试步骤依次执行，或者硬度分布标定步骤、初始低周疲劳测试步骤、静态拉伸试验步骤依次执行，或者硬度分布标定步骤、静态拉伸试验步骤、初始低周疲劳测试步骤依次执行。
步骤B中，以焊接接头非均匀组织硬度分布中的硬度最低值、低周疲劳测试断裂位置、静态拉伸试验断裂位置为判据，其中任何两个判据相吻合，即判定为试样低周疲劳失效断裂位置及断裂位置处所对应的微观组织区域。
步骤C中，以低周疲劳失效断裂位置为低周疲劳试样加工中心重新加工低周疲劳试样，重新加工的低周疲劳试样标距长度相对第一次加工的低周疲劳试样的标距长度变短，选用的引伸计长度也变短。步骤C中，所述断裂区域为包含断裂位置的一段区域，所述断裂区域对应一段硬度分布范围，以断裂区域作为低周疲劳试样的平行段长度重新加工低周疲劳试样。步骤C中，所述断裂区域的长度相较于初始低周疲劳测试的应变测试区域变短。
步骤D中，将重新加工的低周疲劳试样再次进行低周疲劳测试，确保断裂位置在引伸计标距以内，若断裂位置在引伸计标距之外，重新进行低周疲劳测试。步骤D中，采用能量法或Mansion-Coffee方程来求出低周疲劳特征参数。所述低周疲劳试样为圆棒。
优选地，包括如下步骤：
第一步，针对多层多道焊厚板接头低周疲劳测试，选取焊缝中心为对称线加工3根标准低周疲劳试样，试样为圆棒，保证平行段长度包含整个焊缝、热影响区及母材；选取引伸计标距同样应包含平行段包含的区域，分别选择2根试样在低应变幅和高应变幅下检验该种接头低周疲劳断裂位置。将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，准确判断出其断裂位置。
第二步，将剩余一根低周疲劳试样在静态拉伸试验机上进行拉伸，观察拉伸时断裂位置，并将断裂后的试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，检验拉伸断裂位置是否与疲劳断裂位置一致，如果不一致再结合硬度分布进行判定。
第三步，选取接头的金相试样，采用硬度计对整个焊接接头的硬度分布规律进行标定。对比分析低周疲劳断裂试样和拉伸断裂试样的位置，并结合硬度分布，以硬度最低值、低周疲劳断裂位置及拉伸试样断裂位置三个判据中任何两个相吻合为低周疲劳断裂位置。
第四步，找出包含断裂位置的一个区间，选取该区间的中点为低周疲劳试样的加工中心，重新加工15根低周疲劳试样。试样圆棒直径与第一步相同，但试样标距长度减小，具体尺寸建议包含断裂区域即可，同时选用的引伸计长度相应减小，达到能够准确测量断裂位置的应变。
第五步，对新加工的低周疲劳试样进行测试，出现试样断裂在引伸计之外的，重新测量，完成低周疲劳测试。
第六步，通过分析低周疲劳测试结果，可采用能量法或Mansion-Coffee方程来求出低周疲劳特征参数，获得焊接接头断裂区域的应变寿命方程。
实施例1：
第一步，针对20mm宽焊缝的厚板焊接接头低周疲劳测试，选取焊缝中心为对称线加工3根标准低周疲劳试样，试样为圆棒，平行段直径为8mm；选取引伸计标距尺寸为25mm，分别选择2根试样在低应变幅和高应变幅下检验该种接头低周疲劳断裂位置，将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，判断出断裂位置基本在焊缝热影响区。
第二步，将剩余一根低周疲劳试样在静态拉伸试验机上进行拉伸，观察拉伸时断裂位置，并将断裂后的试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，再次判定拉伸试样断裂位置在焊缝热影响区。
第三步，测量焊接接头的硬度，根据硬度值变化判断断裂区域约在热影响区过回火区附近，距离熔合线约2mm左右。
第四步，以熔合线偏向母材1mm为中心，重新加工15根低周疲劳试样。试样圆棒直径为10mm，标距长度为10mm，选择引伸计尺寸为6mm。
第五步，根据不同的应变量控制对新加工的低周疲劳试样进行测试，试样断裂在引伸计之外的，重复测量，完成低周疲劳测试。
第六步，通过分析低周疲劳测试结果，采用能量法或Manson-Coffee方程来求出低周疲劳特征参数或采用能量法预测寿命，获得焊接接头断裂区域的应变寿命方程。
相比之下，采用25mm引伸计尺寸所测的应变量，和采用6mm仅测量热影响区过回火区附近的应变量，使得断裂位置处所发生的真实应变相差较大，6mm引伸计寿命评估更精确。
具体结果如下图表所示，由于断裂处发生的实际身长量减小导致疲劳寿命增加。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，其中，所述步骤A包括如下步骤：
初始低周疲劳测试步骤：根据焊接接头非均匀组织特征和低周疲劳试验标准，加工低周疲劳试样，低周疲劳试样标距内包含母材、焊缝及热影响区，选取引伸计，引伸计标距内包含母材、焊缝及热影响区，在设定的应变幅下进行低周疲劳测试，直至试样断裂，将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀，观察断裂位置；
静态拉伸试验步骤：将低周疲劳试样在静态拉伸机进行静态拉伸试验，将断裂后的静态拉伸的低周疲劳试样进行腐蚀，观察断裂位置；
硬度分布标定步骤：选取焊接接头的金相试样，采用硬度计对焊接接头的非均匀组织硬度分布规律进行标定；
步骤B：对比分析低周疲劳测试断裂试样、静态拉伸试验断裂试样的断裂位置，结合焊接接头非均匀组织硬度分布规律，判断试样低周疲劳失效断裂位置及断裂位置处所对应的微观组织区域；
步骤C：以包含低周疲劳失效断裂位置的一个区间的中心为低周疲劳试样加工中心重新加工低周疲劳试样，所述重新加工的低周疲劳试样的标距包含断裂区域，根据试样标距选择引伸计，确保试样断裂在引伸计标距以内；
步骤D：将重新加工的低周疲劳试样再次进行低周疲劳测试，分析低周疲劳测试结果，求出低周疲劳特征参数，获得焊接接头断裂区域的应变寿命方程。
2.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤A中，在初始低周疲劳测试步骤，分别将低周疲劳试样在低应变幅下、高应变幅下进行低周疲劳测试，判断低周疲劳试样的在两种应变幅值下的断裂位置。
3.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤A中，初始低周疲劳测试步骤、静态拉伸试验步骤、硬度分布标定步骤依次执行，或者初始低周疲劳测试步骤、硬度分布标定步骤、静态拉伸试验步骤依次执行，或者静态拉伸试验步骤、初始低周疲劳测试步骤、硬度分布标定步骤依次执行，或者静态拉伸试验步骤、硬度分布标定步骤、初始低周疲劳测试步骤依次执行，或者硬度分布标定步骤、初始低周疲劳测试步骤、静态拉伸试验步骤依次执行，或者硬度分布标定步骤、静态拉伸试验步骤、初始低周疲劳测试步骤依次执行。
4.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤B中，以焊接接头非均匀组织硬度分布中的硬度最低值、低周疲劳测试断裂位置、静态拉伸试验断裂位置为判据，其中任何两个判据相吻合，即判定为试样低周疲劳失效断裂位置及断裂位置处所对应的微观组织区域。
5.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤C中，以低周疲劳失效断裂位置为低周疲劳试样加工中心重新加工低周疲劳试样，重新加工的低周疲劳试样标距长度相对第一次加工的低周疲劳试样的标距长度变短，选用的引伸计长度也变短。
6.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤C中，所述断裂区域为包含断裂位置的一段区域，所述断裂区域对应一段硬度分布范围，以断裂区域作为低周疲劳试样的平行段长度重新加工低周疲劳试样。
7.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤C中，所述断裂区域的长度相较于初始低周疲劳测试的应变测试区域变短。
8.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤D中，将重新加工的低周疲劳试样再次进行低周疲劳测试，确保断裂位置在引伸计标距以内，若断裂位置在引伸计标距之外，重新进行低周疲劳测试。
9.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤D中，采用能量法或Mansion-Coffee方程来求出低周疲劳特征参数。
10.根据权利要求1所述的非均匀组织厚板焊接接头低周疲劳性能测试方法，其特征在于，所述低周疲劳试样为圆棒。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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