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豪克能焊接應力消除設備高頻超聲沖擊改善應力腐蝕斷裂

更新時間:2022/1/21  點擊數:184


 受拉應力作用的材料在腐蝕環境下產生滯后裂紋, 甚至發生滯后斷裂的現象稱為應力腐蝕開裂(SCC)。當應力超過某一臨界值后, 材料會在腐蝕并不嚴重的情況下發生脆性斷裂。應力腐蝕開裂必須同時具備3個條件:腐蝕環境、拉應力和特定的合金成分與結構。只有存在拉應力時, 才能產生應力腐蝕裂紋。這種應力可能是外加應力, 或是加工和熱處理過程引進的殘余應力(如焊接殘余應力),也可以是腐蝕產物的楔入作用而引起的擴張應力。


    通常認為, 只有拉應力才能產生應力腐蝕, 壓應力反而能阻止或延緩應力腐蝕。應力腐蝕開裂是應力與環境介質協同作用下最嚴重的突發性腐蝕破壞形態, 約占全部腐蝕事故的1/3以上。

    兩棲裝甲裝備大都屬于焊接結構。由于熔化焊接工藝的固有特點, 使得這些焊接接頭和焊接熱影響區多存在較大的殘余拉應力以及焊縫缺陷。此外, 裝甲裝備車體是一種復雜的大型鋼/鋁合金結構, 存在有許多加強筋板和支座, 如緩沖器支座、浮箱掛鉤支座、扭力軸支座和平橫肘支座等, 使車體結構存在有大量的局部應力集中區和殘余張應力區。

    這些分布于車體上的拉應力與下海渡訓時海水浸蝕及沿海高溫、高濕、高鹽霧環境的聯合作用, 使車體結構極易產生應力腐蝕開裂, 從而降低裝備的結構安全性。因此, 認識和研究應力腐蝕的機理, 研究可行的工藝措施, 對防止和減少兩棲裝甲裝備車體及焊接結構的應力腐蝕開裂以及延長裝備服役壽命有重要意義。筆者主要研究高頻超聲沖擊處理 (UltrasonicImpactTreatment, UIT)改善22SiMn2TiB裝甲鋼抗應力腐蝕的機理, 以達到采用UIT工藝提高裝甲鋼及其焊接接頭抗應力腐蝕開裂性能的目的。

試驗方法
1.1 試樣材料、高頻超聲沖擊處理及應力腐蝕試驗

試樣材料為22SiMn2TiB裝甲鋼, 抗拉強度σb為1 400 MPa, 屈服強度σy為1 050 MPa, 顯微硬度平均約為388 HV。將試驗用鋼板線切割成180 mm×25 mm×8 mm的條狀試樣, 并進行了表面磨削拋光處理。為研究高頻超聲沖擊處理對試樣抗應力腐蝕的影響, 將試樣分為2組, 一組為高頻超聲沖擊處理試樣,另一組為沒有進行高頻超聲沖擊處理的試樣, 每組試樣3個。

超聲沖擊處理采用了山東華云豪克能HY2050型高頻超聲沖擊機豪克能焊接應力消除設備), 沖擊振動頻率20 kHz, 沖擊機槍垂直于試件表面加載5 kg, 采用手動單面(受拉面)全覆蓋掃描沖擊2道次, 每道次沖擊針掃描路徑重疊率約25%。
應力腐蝕試驗中采用自行設計加工的四點彎曲裝置對試樣進行加載(圖1)。用XL2118B型應力與應變綜合參數測試儀對所加載荷進行標定, 以保證試樣所加彎曲載荷的一致性。試樣彎曲拉伸應力σ為裝甲鋼屈服強度的0.7 倍, 即740 MPa。腐蝕溶液采用3.5%NaCl溶液, 為模擬南方高溫氣候, 試驗過程中采用了恒溫加熱裝置, 溶液溫度控制在38℃左右, 在對加載裝置進行了防腐包裝后, 將2組試樣浸入NaCl溶液, 應力腐蝕150 d。


圖1 四點彎曲加載試驗裝置
 
1.2 材料的組織觀測及殘余應力測試
沖擊前后的裝甲鋼試件, 經線切割并研磨制備成金相試樣。試樣斷面組織用掃描電鏡(SEM)進行觀測, 試樣表層組織(白層)用透射電鏡(TEM)觀測, 沖擊試樣的透射試樣采用單面減薄, 未沖擊試樣的透射試樣采用雙面減薄。用尼康8 ×20D體視顯微鏡拍攝觀察應力腐蝕斷口形貌。為比較超聲沖擊處理引入表面殘余應力的作用, 采用X-350A型X
射線應力測定儀測量了沖擊試樣和未沖擊試樣的表面殘余應力。


2 試驗結果與分析
2.1 應力腐蝕開裂情況

試樣經過150 d的應力腐蝕后, 未進行高頻超聲沖擊處理的3個試樣都發生了應力腐蝕開裂, 而經過高頻超聲沖擊處理的試樣均未開裂。圖2是試樣的腐蝕與開裂情況對比。

圖2 UIT試樣和未UIT試樣應力腐蝕開裂情況
 
圖3是未經高頻超聲沖擊處理的5號試樣應力腐蝕斷口的體視顯微照片。

宏觀觀察可發現, 斷口明顯分為2個區, 其中白亮區是過載瞬斷區, 是試驗結束時通過加大彎曲載荷所造成的, 因此, 該區域的材料未受到腐蝕, 呈金屬本色;其余的灰暗區域是應力腐蝕開裂區, 表現出嚴重的腐蝕, 雖經高頻清洗處理仍可見大量的紅銹斑。另外, 該照片還清楚地表明, 應力腐蝕開裂是在試樣的受拉面開始的, 而受壓面除了表面腐蝕外沒有發生應力腐蝕開裂現象, 證明拉應力和腐蝕介質的聯合作用是造成應力腐蝕開裂的重要原因, 而壓應力和腐蝕環境不會引起22SiMn2TiB裝甲鋼應力腐蝕開裂。


圖3 未經UIT的5號試樣應力腐蝕斷口的體視顯微照片

 組織變化及其對應力腐蝕開裂的影響分析
高頻超聲沖擊試樣金相樣制備時是垂直于沖擊面沿縱向切開, 研磨制備成金相試樣, 高頻超聲沖擊試樣組織的掃描電鏡像如圖4所示。高頻超聲沖擊試樣斷面在電鏡下明顯分為3層, 表層為金相腐蝕液很難腐蝕的“白層”組織[ 6] , 厚約有25 μm, 在掃描電鏡下觀察不到任何精細結構;“白層”下面是嚴重的沖擊塑性變形層組織(深度約1 ~ 1.2 mm);沖擊變形層下面是未受沖擊影響的基體組織。


圖4 高頻超聲沖擊試樣的斷面組織SEM像
 
為研究白層的精細結構, 用線切割方法將含白層的沖擊層切下, 研磨制成TEM試樣, 圖5是平行于沖擊表面制備的高頻超聲沖擊“白層”組織透射電鏡的形貌像和電子衍射花樣。由圖5可見, “白層”組織內部位錯密度極高, 相互纏結形成位錯網絡、胞狀亞結構(圖中黑色區域), 證明“白層”組織已經過嚴重塑性變形。電子衍射花樣呈連續和斷續環狀, 可以判定是多晶體的衍射結果, 證明白層組織為細晶粒的多晶體。
高頻超聲沖擊22SiMn2TiB高強度鋼“白層”的形成可以作如下解釋:鋼試件在超沖擊處理前, 板條馬氏體中位錯呈網狀分布;隨著沖擊的進行, 試件表面變形量增加, 位錯密度增加, 逐漸形成位錯纏結;變形量繼續增大, 位錯纏結轉變為胞狀形態, 胞數量增多, 尺寸減小, 形成胞狀亞結構。這是高頻超聲沖擊處理使材料表層得到晶粒細化的機理。晶粒細化有助于提高材料屈服強度, 從而提高應力強度因子門檻值Kth [ 7] , 因此, 高頻超聲沖擊細化晶粒的作用也有助于提
高裝甲鋼的抗應力腐蝕開裂性能。

圖5 高頻超聲沖擊“白層”組織的TEM像

結論
1)高頻超聲沖擊處理使22SiMn2TiB裝甲鋼表層引入了約-740 MPa的殘余壓應力, 并使表層材料得到了晶粒細化。殘余壓應層的深度為1 ~ 1.2 mm,晶粒細化層深度約25 μm。

2)在經過150 d的應力腐蝕試驗后, 經高頻超聲沖擊處理的一組3 個試樣均未出現應力腐蝕開裂現象, 而未經處理的另一組3 個試樣均出現了應力腐蝕開裂。

3)高頻超聲沖擊處理引入的殘余壓應力起到了降低腐蝕微裂紋應力強度因子的作用, 晶粒細化起到了提高應力強度因子門檻值的作用。以上2種復合作用使經高頻超聲沖擊處理的22SiMn2TiB裝甲鋼的抗應力腐蝕性能得到了較大的改善。
4)高頻超聲沖擊處理工藝可用于裝甲裝備的制造與維修, 可重點對焊縫和應力集中部位進行處理。

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