CN111965061A - 模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料腐蚀疲劳性能测试方法领域，提供了一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法及装置，所述方法首先按国标加工疲劳试样，然后采用热模拟试验机在设定的焊接热循环参数下制备模拟焊接热影响区，实现狭窄焊接热影响区的模拟和“放大”，经过重新打磨后将模拟焊接热影响区之外的其他区域密封，仅暴露目标区域作为工作段。随后将疲劳试样安装在带有环境腔的疲劳试验机上进行腐蚀疲劳试验，环境腔可加入模拟溶液或通入腐蚀气氛，最终实现模拟焊接热影响区在特定环境中腐蚀疲劳性能的定量评定；评定结果对于高强钢焊接接头耐蚀性评价、疲劳寿命预测以及焊接工艺优化具有重要指导意义。

Description

模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法及装置
技术领域
本发明涉及金属材料腐蚀疲劳性能测试方法领域，特别涉及一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法及装置。
背景技术
海洋工程用高强钢的应力腐蚀和腐蚀疲劳断裂是海洋工程结构的主要失效模式，特别是海洋平台、跨海大桥等大型工程结构，由于具有大量的焊接结构，焊接接头特别是热影响区是整个工程结构的薄弱环节，其在海洋腐蚀环境和海上交变载荷双重作用下的腐蚀疲劳断裂是海洋工程装备面临的一个重大威胁，因而焊接热影响区在海洋苛刻环境中的腐蚀疲劳性能评定越来越受到人们的关注。然而。以往研究焊接接头的腐蚀疲劳性能大多采用真实焊接接头，研究不同焊接工艺下的腐蚀疲劳性能需要现场焊接多块钢板，不仅费时费力，而且试样的切割加工麻烦，难以准确定位，且焊接热影响区属于一种狭窄的复杂组织区域，难以准确评定特定区域的腐蚀疲劳性能。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法及装置，可实现模拟焊接热影响区在特定环境中腐蚀疲劳性能的定量评定。
本发明采用如下技术方案：
一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，包括：
S1、加工疲劳试样，所述疲劳试样为棒状或片状，方便夹持在热模拟试验机和腐蚀疲劳试验机上；
S2、将疲劳试样安装在热模拟试验机上，热电偶焊接在疲劳试样中部表面，在设定的焊接热模拟参数下制备模拟热影响区；
S3、打磨清洗疲劳试样，采用密封剂将疲劳试样两端密封，中间工作段部分裸露；
S4、将密封处理后的疲劳试样安装在环境腔中，疲劳试样与环境腔之间为动密封连接；所述环境腔用于模拟腐蚀环境；
S5、将经步骤S4处理后的疲劳试样安装在腐蚀疲劳试验机上，在环境腔中加入腐蚀模拟溶液或通入腐蚀气体，在设定的力学参数下进行腐蚀疲劳试验，得到试样腐蚀疲劳寿命和断口形貌信息，所述信息用以评价焊接热影响区的腐蚀疲劳性能。
进一步的，步骤S1中，所述疲劳试样为中间工作段截面面积逐渐减小的圆弧形试样，确保断裂发生在中间的工作段。
进一步的，步骤S1中，所述疲劳试样按照国标GB/T 2012.1-2006加工，所述疲劳试样中部工作段的截面面积12～20mm2，试样的大小和长度方便夹持在Gleeble热模拟试验机和腐蚀疲劳试验机上。
进一步的，步骤S2中，所述热模拟试验机为Gleeble热模拟试验机，热电偶采用冲击焊的方式焊接；所述焊接热模拟参数包括加热速率、冷却速率和峰值温度，用以模拟不同焊接热输入下的特定热影响区。
进一步的，所述热影响区包括粗晶热影响区、细晶热影响区和临界热影响区。
进一步的，步骤S3中，打磨清洗疲劳试样具体为：采用SiC砂纸将热模拟后的疲劳试样逐级打磨至2000#，并采用丙酮除油、无水乙醇清洗后吹干。
进一步的，步骤S3中，所述密封剂为硅胶，所述工作段长度为5～10mm。
进一步的，步骤S4中，疲劳试样通过软橡皮塞安装在环境腔中，并采用硅胶密封。
进一步的，步骤S5中，所述腐蚀模拟溶液为人工海水，用于评价海水环境中的腐蚀疲劳性能；所述腐蚀气体采用加湿器通入盐雾，用于模拟海洋大气环境中的腐蚀疲劳性能。
本发明还提供了一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试装置，包括疲劳试样、环境腔、温度计、湿度计、pH计、橡皮塞、注水口、排水阀；
所述疲劳试样为中间工作段截面面积逐渐减小的圆弧形试样，两端采用密封剂密封，中间工作段部分裸露；
所述环境腔为透明盒体，所述环境腔上部设置所述注水口，下部设置所述排水阀；
所述温度计、湿度计、pH计，分别用于检测所述环境腔内的温度、湿度和pH值；
所述疲劳试样的两端贯穿所述环境腔的腔体，所述疲劳试样和所述环境腔之间通过橡皮塞实现动密封连接。
进一步的，所述环境腔采用耐腐蚀的有机玻璃制成，所述橡皮塞与环境腔之间采用硅胶密封。
本发明的有益效果为：
1、可实现狭窄焊接热影响区的放大，并研究特定热影响区的腐蚀疲劳性能；
2、可快速研究焊接工艺参数对热影响区腐蚀疲劳性能的影响，方便快捷、省时省力；
3、可对关键环境参数(温度、湿度、pH值)进行实时监测。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试装置的结构示意图。
图2所示为实施例2中模拟E690高强钢焊接热影响区的粗晶区、细晶区和临界区的热循环曲线。
图3所示为实施例2中采用本发明装置得到的E690高强钢焊接热影响区在模拟海洋大气环境中的腐蚀疲劳断口形貌；(a)粗晶区、(b)细晶区、(c)临界区。
图4所示为实施例2中E690高强钢焊接热影响区在模拟海洋大气环境中的腐蚀疲劳断口侧面形貌；(a)粗晶区、(b)细晶区、(c)临界区。
其中：1-注水口；2-湿度计；3-温度计；4-疲劳试样；5-橡皮塞；6-pH计；7-环境腔；8-排水阀。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
实施例1
本实施例一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，包括以下步骤：
S1、按照国标GB/T 2012.1-2006加工棒状或片状疲劳试样，为确保疲劳断裂发生在中间的目标区域，工作段为截面积逐渐减小的圆弧形试样；为确保试样能够模拟焊接的特点，实现快速加热和快速冷却，试样工作段的截面积不宜过大，以12～20mm2为宜，长度和大小以适合夹持在Gleeble热模拟试验机和腐蚀疲劳试验机上为宜；
S2、将疲劳试样安装在Gleeble热模拟试验机上，热电偶采用冲击焊的方式焊接在试样中间表面上，在设定的焊接热模拟参数下制备模拟热影响区，通过设定的加热速率、冷却速率和峰值温度，模拟不同焊接热输入下的特定热影响区(例如粗晶热影响区、细晶热影响区和临界热影响区)；
S3、采用SiC砂纸将热模拟后的疲劳试样逐级打磨至2000#，并采用丙酮除油、无水乙醇清洗后吹干待用，采用硅胶将试样两端密封，只保留中间5mm长度的工作段；
S4、将密封后的疲劳试样通过软橡皮塞安装在有机玻璃盒(环境腔)中，并采用硅胶密封；
S5、待硅胶干燥后将试样安装在腐蚀疲劳试验机上，并在有机玻璃盒中加入腐蚀模拟溶液或通入腐蚀气氛，然后在设定的力学参数下进行腐蚀疲劳试验，得到试样腐蚀疲劳寿命和断口形貌等信息，评价和研究焊接热影响区的腐蚀疲劳性能及机理。
实施例2
本实施例采用E690高强钢，按照国标GB/T 2012.1-2006加工如图1中所示的片状疲劳试样，工作段为连续过渡圆弧。本实施例一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法为：
将试样安装在Gleeble热模拟试验机上，热电偶采用冲击焊焊接在试样中间表面上，按照图2所示的焊接热循环参数，模拟焊接热输入为44kJ/cm(t8/5＝10s)下的粗晶热影响区、细晶热影响区和临界热影响区；
将热模拟后的疲劳试样逐级打磨至2000#，并采用丙酮除油、无水乙醇清洗后吹干待用，采用硅胶将试样两端密封，只保留中间5mm长度的工作段。将密封后的疲劳试样通过软橡皮塞安装在有机玻璃盒中，并采用硅胶密封；
待硅胶干燥后将试样安装在腐蚀疲劳试验机上，采用超声加湿器向有机玻璃盒中通入盐雾，模拟溶液采用3.5％NaCl+0.01mol/LNaHSO3，模拟污染海洋大气环境；
待试样表面形成薄液膜后(～2h)，在设定的力学参数下进行腐蚀疲劳试验，峰值应力设为570Mpa(0.8σs)，频率为1Hz。试样断裂时电脑自动记录断裂时的循环次数，即腐蚀疲劳断裂寿命，得到粗晶区、细晶区、临界热影响区三个平行试样的腐蚀疲劳寿命分别为(2.0±0.4)×105、(4.1±0.5)×105、(3.3±0.7)×105周次。取下试样除锈后采用扫描电镜观察疲劳断口形貌等信息，得到图3和图4所示的断口形貌，根据不同热影响区的腐蚀疲劳寿命和断口形貌可对比分析其腐蚀疲劳性能差异及机理。
图3、图4分别为粗晶热影响区(a)、细晶热影响区(b)、临界热影响区(c)的断口表面和侧面微观形貌，粗晶区断口平整光滑，表现为解理断裂，存在较大的解理面(图3中a)，大小等效于粗晶的晶粒尺寸，且断口侧面(图4中a)存在较多较大的二次裂纹，预示着较高的腐蚀疲劳敏感性；细晶区断口上存在大量密集的小解理面(图3中b)，大小等同于细晶的晶粒尺寸，裂纹从一个解理面扩展至另外一个解理面时需要克服晶界的阻力，细晶区具有密集的原奥氏体晶界和板条界，因而疲劳裂纹扩展阻力较大，且断口侧面的二次裂纹较少(图4中b)，表明腐蚀疲劳裂纹不易萌生；临界热影响区断口表面存在较大的撕裂棱(图3中c)，表现为良好的塑韧性，归因于其中块状铁素体的作用，但断口侧面具有大量密集的点蚀坑和微裂纹，表明临界区易于萌生腐蚀疲劳裂纹。综合三种组织的腐蚀疲劳寿命和断口形貌，可对比评价其腐蚀疲劳性能优劣及机理，即粗晶热影响区腐蚀疲劳性能最差，细晶热影响区腐蚀疲劳性能最优，临界热影响区居中。
实施例3
如图1所示，本实施例一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试装置，包括疲劳试样4、环境腔7、温度计3、湿度计2、pH计6、橡皮塞5、注水口1、排水阀8；
所述疲劳试样4为中间工作段截面面积逐渐减小的圆弧形试样，两端采用密封剂密封，中间工作段部分裸露；
所述环境腔7为透明盒体，所述环境腔7上部设置所述注水口1，下部设置所述排水阀8；
所述温度计3、湿度计2、pH计6，分别用于检测所述环境腔内的温度、湿度和pH值；
所述疲劳试样4的两端贯穿所述环境腔7的腔体，所述疲劳试样4和所述环境腔7之间通过橡皮塞5实现动密封连接。
优选的，所述环境腔7采用耐腐蚀的有机玻璃制成，所述橡皮塞5与环境腔7之间采用硅胶密封。
本发明方法首先按国标加工疲劳试样，然后采用Gleeble热模拟试验机在设定的焊接热循环参数下制备模拟焊接热影响区，实现狭窄焊接热影响区的模拟和“放大”，经过重新打磨后将模拟焊接热影响区之外的其他区域密封，仅暴露目标区域作为工作段。随后将疲劳试样安装在带有环境腔的疲劳试验机上进行腐蚀疲劳试验，环境腔可加入模拟溶液或通入腐蚀气氛，最终实现模拟焊接热影响区在特定环境中腐蚀疲劳性能的定量评定；评定结果对于高强钢焊接接头耐蚀性评价、疲劳寿命预测以及焊接工艺优化具有重要指导意义
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、加工疲劳试样，所述疲劳试样为棒状或片状；
S2、将疲劳试样安装在热模拟试验机上，热电偶焊接在疲劳试样中部表面，在设定的焊接热模拟参数下制备模拟热影响区；
S3、打磨清洗疲劳试样，采用密封剂将疲劳试样两端密封，中间工作段部分裸露；
S4、将密封处理后的疲劳试样安装在环境腔中，疲劳试样与环境腔之间为动密封连接；所述环境腔用于模拟腐蚀环境；
S5、将经步骤S4处理后的疲劳试样安装在腐蚀疲劳试验机上，在环境腔中加入腐蚀模拟溶液或通入腐蚀气体，在设定的力学参数下进行腐蚀疲劳试验，得到试样腐蚀疲劳寿命和断口形貌信息，所述信息用以评价焊接热影响区的腐蚀疲劳性能。
2.如权利要求1所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述疲劳试样为中间工作段截面面积逐渐减小的圆弧形试样，确保断裂发生在中间的工作段。
3.如权利要求2所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述疲劳试样按照国标GB/T 2012.1-2006加工，所述疲劳试样中部工作段的截面面积12～20mm2。
4.如权利要求1所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S2中，所述热模拟试验机为Gleeble热模拟试验机，热电偶采用冲击焊的方式焊接；所述焊接热模拟参数包括加热速率、冷却速率和峰值温度，用以模拟不同焊接热输入下的特定热影响区。
5.如权利要求1所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S3中，打磨清洗疲劳试样具体为：采用SiC砂纸将热模拟后的疲劳试样逐级打磨至2000#，并采用丙酮除油、无水乙醇清洗后吹干。
6.如权利要求1或5所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S3中，所述密封剂为硅胶，所述工作段长度为5～10mm。
7.如权利要求1所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S4中，疲劳试样通过软橡皮塞安装在环境腔中，并采用硅胶密封。
8.如权利要求1所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，其特征在于，步骤S5中，所述腐蚀模拟溶液为人工海水，用于评价海水环境中的腐蚀疲劳性能；所述腐蚀气体采用加湿器通入盐雾，用于模拟海洋大气环境中的腐蚀疲劳性能。
9.一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试装置，其特征在于，用于如权利要求1所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，所述装置包括疲劳试样、环境腔、温度计、湿度计、PH计、橡皮塞、注水口、排水阀；
所述疲劳试样为中间工作段截面面积逐渐减小的圆弧形试样，两端采用密封剂密封，中间工作段部分裸露；
所述环境腔为透明盒体，所述环境腔上部设置所述注水口，下部设置所述排水阀；
所述温度计、湿度计、pH计，分别用于检测所述环境腔内的温度、湿度和pH值；
所述疲劳试样的两端贯穿所述环境腔的腔体，所述疲劳试样和所述环境腔之间通过橡皮塞实现动密封连接。
10.如权利要求9所述的模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试装置，其特征在于，所述环境腔采用耐腐蚀的有机玻璃制成，所述橡皮塞与环境腔之间采用硅胶密封。
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