异种金属焊接构件腐蚀疲劳性能研究

郝雪龙 禄璐 张东晖 吴磊

(国家有色金属及电子材料分析测试中心，国标(北京)检验认证有限公司，北京101407)

制造业对高性能结构材料与复杂结构件连接性能的需求不断提升，既需要满足基本的力学性能需求，也必须要满足诸如耐腐蚀、耐磨损、耐高温、导热导电性、长周期服役性能等多方面的性能和经济性要求。但在生产应用中，单一金属材料往往无法达到整体复杂结构件的性能和经济性需求[1-2]。因此，异种材料焊接的复合结构日益受到人们的重视，并在交通运输、航空航天、石油化工、工程机械、精密制造等行业中得到了广泛的应用[3]。

异种金属材料焊接件是指将不同种类合金通过焊接连接所构成的结构件，能够最大限度地综合利用不同材料的特性，在节约成本的基础上，使结构件的综合性能超过单种金属材料结构的性能。它既可以满足实际工程条件下对材料提出的特殊性能要求，又可以节约贵重金属，实现经济利益的最大化。但是，相比于焊接同种材料，异种材料的焊接较为困难。这是因为异种材料本身的物理化学性能会对焊接性造成影响，并且异种材料性能上的差异会更加显著地影响它们之间的焊接性。因此，如何保证异种焊接结构件稳定安全地服役就成为广大学者的重要研究方向。其中应力与腐蚀的交互作用能加速材料的损伤过程，应力腐蚀与腐蚀疲劳现象已经成为石油化工、交通运输、压力容器中异种焊接接头常见的破坏失效形式。研究异种金属焊接接头在应力与腐蚀环境的交互作用下的断裂失效行为具有重要的工程应用价值。

SUS304不锈钢属于Fe-Cr-Ni系合金，是在含铬量较高的不锈钢中添加8%～25%的镍而形成的具有奥氏体组织的不锈钢，因其具有良好的抗腐蚀能力和力学性能[4]，大量运用在耐腐蚀、耐高温、抵抗氧化的零部件和设备上。Q345B钢作为低合金钢，具有较高的强度和良好的塑性和韧性，焊接性好，综合性能优异，同时价格便宜，经济效益显著，大量使用在要求强度高、承载大的工程结构上[5]。对304不锈钢与Q345B低合金钢这两种性能有所差异的钢铁材料焊接接头开展研究，具有显著的经济意义与工程应用意义。由于异种金属间存在较大的物理化学性能等差异，焊接过程中容易形成脆性金属间化合物，降低接头的服役性能。因此，通过对异种金属焊接结构的微观结构及腐蚀疲劳等性能进行研究，可以有效评价焊接结构整体性能，为工艺改进提供科学可靠的数据支撑[6]。本研究开展了对异种金属焊接件的腐蚀疲劳性能测试分析，为焊接结构的腐蚀性能评价提供科学支持。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为6 mm厚的SUS 304不锈钢和Q345B碳钢，异种金属焊接件如图1所示。

图1 异种金属焊接件

在焊接时，使用MAG(135)焊接方法进行，焊材规格∅1.2 mm，焊丝型号ER309L，焊接电流190～210 A，焊接电压21～24 V，焊接速度340～400 mm/min，保护气体98%Ar+2%O2，保护气体流量10～15 L/min。

1.2 试验方法

1.2.1 焊件的腐蚀疲劳性能检测

试样的腐蚀疲劳试验参照GB/T 20120.1—2006《金属和合金的腐蚀 腐蚀疲劳试验 第1部分：循环失效试验》标准进行，腐蚀疲劳试样具体试样尺寸如图2(a)所示。腐蚀环境加载系统如图2(b)和2(c)所示，由腐蚀溶液循环系统和恒温环境箱构成，通过循环系统对腐蚀介质加热，并恒定在稳定的温度。

图2 腐蚀疲劳环境加载装置示意图

1.2.2 检测设备及条件

腐蚀疲劳试验采用低周疲劳试验机(电液伺服疲劳试验机)，腐蚀疲劳试验设备的主要技术参数如表1所示，腐蚀疲劳试验条件按表2进行。疲劳试验后采用扫描显微镜对腐蚀疲劳断裂样的断口形貌进行观察。

表1 电液伺服疲劳试验机参数

表2 腐蚀疲劳试验条件

1.2.3 检测分析相关标准

检测分析参照标准方法汇总，如表3所示。

表3 试验标准汇总表

2 结果与讨论

2.1 腐蚀疲劳试验结果分析

2.1.1 中值疲劳极限计算

采用升降法测定材料的腐蚀疲劳极限，试样数量为15根，疲劳极限截止周次为1.0×106，试验数据如表4所示。第一根试样的试验应力水平略高于预计疲劳极限。根据上一根试验结果(失效或通过)决定下一根试样的试验应力水平的降低或升高，直至完成全部试验，对第一次出现相反结果以前的试验数据，如在以后试验数据的波动范围内则有效，升级应力水平为4级左右，根据以下公式计算出中值疲劳极限：

表4 试样腐蚀疲劳试验数据表

式中，n是有效试验总次数；m是升降应力水平级数；σi是第i级应力水平；Vi是第i级应力水平下的试验次数。

疲劳试验的应力幅值分别为150 MPa、160 MPa、170 MPa、180 MPa、190 MPa、200 MPa、240 MPa和260 MPa。试验初期，选取较大的应力加载260 MPa，试样在腐蚀疲劳进行到14191周时在销钉处断裂，这可能是因为腐蚀疲劳加载过大导致。其余试样腐蚀疲劳试验数据如表4所示。对数据进行分析绘制了焊接件腐蚀疲劳极限趋势图，如图3所示。由此可见，异种金属焊接件试样的腐蚀疲劳寿命随最大应力变化的波动较大，波动范围涵盖了150～240 MPa，无明显规律。

图3 异种金属焊接件腐蚀疲劳寿命升降图

根据上述计算公式计算，在疲劳寿命为1.0×106周次下的中值腐蚀疲劳强度为172 MPa。

2.1.2 基于S-N曲线的疲劳极限评定

采用最小二乘法拟合的异种金属焊接件在失效概率水平(P)为50%、置信度为95%时的S-N曲线如图4所示。拟合的S-N曲线的直线方程如下所示：

图4 异种金属焊接件S-N曲线图

lgσa=-0.21lgN+3.48

根据拟合的S-N曲线的直线方程测得106循环次数下的疲劳极限为166 MPa。

2.2 断口形貌分析

2.2.1 宏观形貌

对腐蚀疲劳断裂试样进行观察，如图5和图6所示。通过对比观察腐蚀疲劳断裂位置可知，大部分试样的腐蚀疲劳的断裂位置在靠近Q345B侧的热影响区，腐蚀断口表面产生大量的红锈。这是因为热影响区强度较低，在疲劳加载的过程中容易首先产生疲劳裂纹，而Q345B在腐蚀溶液中电化学电位较低，容易被腐蚀，所以疲劳裂纹容易在Q345B侧的热影响区萌生并扩展，最终产生疲劳断裂失效。图7所示为未发生断裂试样图，从图中可以看出，腐蚀疲劳试验试样试样表面布满了红锈，尤其是Q345B腐蚀严重。

图5 异种金属焊接件腐蚀疲劳断裂试样图

图6 异种金属焊接件腐蚀疲劳断裂截面情况

图7 异种金属焊接件腐蚀疲劳未断裂试样宏观图

通过异种金属焊接件试样的腐蚀疲劳寿命极限以及腐蚀疲劳数据可知，焊接件试样腐蚀疲劳极限存在一定波动范围，疲劳极限数值可能受到焊接过程中人为因素影响。

2.2.2 微观形貌

图8为焊接件腐蚀疲劳断裂的试样断口形貌图，该试样加载载荷为190 MPa，循环周期为757908。从宏观图可以清晰看出，腐蚀疲劳裂纹起始于表面腐蚀坑，在疲劳加载的作用下腐蚀疲劳裂纹逐渐向试样中间发展，可见疲劳条带，如图8(b)所示，图8(d)为裂纹发生断裂时产生的韧窝。

(a)宏观断口图 (b)腐蚀疲劳扩展图

3 结论

(1)通过对SUS 304与Q345B异种金属焊接件进行腐蚀疲劳试验测试，得到了腐蚀环境下的106周次下的腐蚀疲劳寿命极限载荷，中值疲劳极限计算结果显示异种金属焊接件的腐蚀疲劳极限载荷为172 MPa，还对异种金属焊接件S-N曲线进行拟合，计算结果显示疲劳极限为166 MPa，与中值计算结果相近，有效验证了试验结果。

(2)异种金属焊接件试样的焊接区腐蚀疲劳寿命较高，可以达到106周次的腐蚀疲劳极限值较高，但同时部分试样疲劳极限值出现异常，推测原因可能是焊接过程中焊接工艺的不稳定。

(3)腐蚀疲劳裂纹扩展源于表面腐蚀缺陷，腐蚀介质进入到腐蚀裂纹中同时受疲劳载荷的作用加速了腐蚀疲劳的进行，断口的腐蚀疲劳裂纹扩展区域、条带特征明显，为典型的腐蚀疲劳断裂。

(4)异种金属焊接件腐蚀疲劳断裂常发生在靠近焊缝的位置。