<strong>440 MPa</strong>级高强钢焊缝金属的断裂韧性

doi:10.11901/1005.3093.2023.164

材料研究学报

2024, Vol. 38

Issue (2): 151-160 DOI: 10.11901/1005.3093.2023.164

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440 MPa级高强钢焊缝金属的断裂韧性

曾道平¹^,², 安同邦¹(

), 郑韶先², 代海洋¹, 曹志龙¹, 马成勇¹

^1.钢铁研究总院焊接研究所北京 100081
^2.兰州交通大学材料科学与工程学院兰州 730070

Fracture Toughness of Weld Metal of 440 MPa Grade High-strength Steel

ZENG Daoping¹^,², AN Tongbang¹(

), ZHENG Shaoxian², DAI Haiyang¹, CAO Zhilong¹, MA Chengyong¹

^1.Welding Research Institute of Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China
^2.School of Materials Science and Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China

引用本文:

曾道平, 安同邦, 郑韶先, 代海洋, 曹志龙, 马成勇. 440 MPa级高强钢焊缝金属的断裂韧性[J]. 材料研究学报, 2024, 38(2): 151-160.
Daoping ZENG, Tongbang AN, Shaoxian ZHENG, Haiyang DAI, Zhilong CAO, Chengyong MA. Fracture Toughness of Weld Metal of 440 MPa Grade High-strength Steel[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2024, 38(2): 151-160.

全文: PDF(18578 KB) HTML

摘要:

使用自研的Si-Mn-Ni气保护实心焊丝对440 MPa级高强钢进行MAG焊，并在系列温度下进行冲击试验、疲劳裂纹扩展速率试验和裂纹尖端张开位移试验，研究了焊缝金属的断裂韧性和显微组织对断裂韧性的影响。结果表明：焊缝金属的韧脆转变温度约为-48.4℃；随着恒幅载荷(13~17 kN)的增大载荷循环次数N减小、疲劳寿命降低，且在应力强度因子范围ΔK相同的情况下疲劳裂纹扩展速率da/dN总体上随着恒幅载荷的增大而减小；焊缝金属的CTOD值δ为0.481~0.781 mm，有效特征值δ_0.2BL为0.5103 mm，CTOD值δ的离散系数仅为16.5%，表明焊缝金属的良好断裂韧性满足海洋工程的技术要求；阻碍裂纹扩展能力较强的针状铁素体使断裂韧性提高，而阻碍裂纹扩展能力较弱的准多边形铁素体和易诱发微裂纹的M-A组元使断裂韧性降低。

关键词 ：金属材料, 440 MPa级高强钢, 焊缝金属, 断裂韧性, 显微组织

Abstract：

Weld joints of 440 MPa grade high-strength steel were prepared via metal active-gas welding technique with a homemade Si-Mn-Ni gas-shielded solid welding wire as filler. Then the fracture toughness of the weld metals was studied by impact test, fatigue crack growth rate test, and crack tip opening displacement test at different temperatures, aiming to clarify the relation of microstructure and fracture toughness, so that to provide data support for the engineering application of the welding wire. The results show that the ductile-brittle transition temperature of the weld metal is about -48.4^oC; With the increase of constant amplitude load (13~17 kN), the number of load cycles(N) and the fatigue life decreases continuously. Moreover, when the stress intensity factor range (ΔK) keeps the same, the fatigue crack growth rate (da/dN) decreases gradually with the increase of constant amplitude load; The CTOD value (δ) of weld metal is 0.481~0.781 mm, the effective characteristic value (δ_0.2BL) is 0.5103 mm, and the dispersion coefficient of CTOD value(δ) is only 16.5%, The weld metal has good fracture toughness and meets the technical requirements of marine engineering; Acicular ferrite has the strong ability to block crack propagation, thus improving fracture toughness, while quasi-polygonal ferrite has the weak ability to block crack propagation and M-A constituent is easy to induce microcracks, thus reducing fracture toughness.

Key words： metallic materials 440 MPa grade high-strength steel weld metal fracture toughness microstructure

收稿日期: 2023-03-16

ZTFLH:

TG442

通讯作者: 安同邦，高级工程师，anran30002000@sina.com，研究方向为高强钢焊接材料研制与焊接工艺开发

Corresponding author: AN Tongbang, Tel: 18201639982, E-mail: anran30002000@sina.com

作者简介: 曾道平，男，1997年生，硕士生

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表1 试板和焊丝的化学成分

表2 试板和焊缝金属的力学性能

图1 试板坡口规格的示意图

图2 组织观察和性能测试位置的示意图

图3 CT试样和CTOD试样尺寸的示意图

图4 焊缝金属组织照片

图5 焊缝金属中的M-A组元及其显微硬度照片

表3 系列温度冲击吸收功

图6 Boltzmann函数拟合曲线

图7 在不同温度下冲击断口的形貌

图8 不同恒幅载荷下的a-N曲线和da/dN-ΔK曲线

表4 疲劳裂纹扩展速率试验结果

图9 不同恒幅载荷下的断口形貌

表5 初始裂纹的长度 (mm)

表6 终止裂纹的长度 (mm)

表7 CTOD的试验结果

图10 δ-Δa阻力曲线

图11 CTOD试样断口的形貌

图12 -40℃冲击断口纵剖面上的裂纹扩展形貌

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