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豪克能焊接应力消除设备高频超声冲击改善应力腐蚀断裂

更新时间:2022/1/21  点击数:533


 受拉应力作用的材料在腐蚀环境下产生滞后裂纹, 甚至发生滞后断裂的现象称为应力腐蚀开裂(SCC)。当应力超过某一临界值后, 材料会在腐蚀并不严重的情况下发生脆性断裂。应力腐蚀开裂必须同时具备3个条件:腐蚀环境、拉应力和特定的合金成分与结构。只有存在拉应力时, 才能产生应力腐蚀裂纹。这种应力可能是外加应力, 或是加工和热处理过程引进的残余应力(如焊接残余应力),也可以是腐蚀产物的楔入作用而引起的扩张应力。


    通常认为, 只有拉应力才能产生应力腐蚀, 压应力反而能阻止或延缓应力腐蚀。应力腐蚀开裂是应力与环境介质协同作用下最严重的突发性腐蚀破坏形态, 约占全部腐蚀事故的1/3以上。

    两栖装甲装备大都属于焊接结构。由于熔化焊接工艺的固有特点, 使得这些焊接接头和焊接热影响区多存在较大的残余拉应力以及焊缝缺陷。此外, 装甲装备车体是一种复杂的大型钢/铝合金结构, 存在有许多加强筋板和支座, 如缓冲器支座、浮箱挂钩支座、扭力轴支座和平横肘支座等, 使车体结构存在有大量的局部应力集中区和残余张应力区。

    这些分布于车体上的拉应力与下海渡训时海水浸蚀及沿海高温、高湿、高盐雾环境的联合作用, 使车体结构极易产生应力腐蚀开裂, 从而降低装备的结构安全性。因此, 认识和研究应力腐蚀的机理, 研究可行的工艺措施, 对防止和减少两栖装甲装备车体及焊接结构的应力腐蚀开裂以及延长装备服役寿命有重要意义。笔者主要研究高频超声冲击处理 (UltrasonicImpactTreatment, UIT)改善22SiMn2TiB装甲钢抗应力腐蚀的机理, 以达到采用UIT工艺提高装甲钢及其焊接接头抗应力腐蚀开裂性能的目的。

试验方法
1.1 试样材料、高频超声冲击处理及应力腐蚀试验

试样材料为22SiMn2TiB装甲钢, 抗拉强度σb为1 400 MPa, 屈服强度σy为1 050 MPa, 显微硬度平均约为388 HV。将试验用钢板线切割成180 mm×25 mm×8 mm的条状试样, 并进行了表面磨削抛光处理。为研究高频超声冲击处理对试样抗应力腐蚀的影响, 将试样分为2组, 一组为高频超声冲击处理试样,另一组为没有进行高频超声冲击处理的试样, 每组试样3个。

超声冲击处理采用了山东华云豪克能HY2050型高频超声冲击机豪克能焊接应力消除设备), 冲击振动频率20 kHz, 冲击机枪垂直于试件表面加载5 kg, 采用手动单面(受拉面)全覆盖扫描冲击2道次, 每道次冲击针扫描路径重叠率约25%。
应力腐蚀试验中采用自行设计加工的四点弯曲装置对试样进行加载(图1)。用XL2118B型应力与应变综合参数测试仪对所加载荷进行标定, 以保证试样所加弯曲载荷的一致性。试样弯曲拉伸应力σ为装甲钢屈服强度的0.7 倍, 即740 MPa。腐蚀溶液采用3.5%NaCl溶液, 为模拟南方高温气候, 试验过程中采用了恒温加热装置, 溶液温度控制在38℃左右, 在对加载装置进行了防腐包装后, 将2组试样浸入NaCl溶液, 应力腐蚀150 d。


图1 四点弯曲加载试验装置
 
1.2 材料的组织观测及残余应力测试
冲击前后的装甲钢试件, 经线切割并研磨制备成金相试样。试样断面组织用扫描电镜(SEM)进行观测, 试样表层组织(白层)用透射电镜(TEM)观测, 冲击试样的透射试样采用单面减薄, 未冲击试样的透射试样采用双面减薄。用尼康8 ×20D体视显微镜拍摄观察应力腐蚀断口形貌。为比较超声冲击处理引入表面残余应力的作用, 采用X-350A型X
射线应力测定仪测量了冲击试样和未冲击试样的表面残余应力。


2 试验结果与分析
2.1 应力腐蚀开裂情况

试样经过150 d的应力腐蚀后, 未进行高频超声冲击处理的3个试样都发生了应力腐蚀开裂, 而经过高频超声冲击处理的试样均未开裂。图2是试样的腐蚀与开裂情况对比。

图2 UIT试样和未UIT试样应力腐蚀开裂情况
 
图3是未经高频超声冲击处理的5号试样应力腐蚀断口的体视显微照片。

宏观观察可发现, 断口明显分为2个区, 其中白亮区是过载瞬断区, 是试验结束时通过加大弯曲载荷所造成的, 因此, 该区域的材料未受到腐蚀, 呈金属本色;其余的灰暗区域是应力腐蚀开裂区, 表现出严重的腐蚀, 虽经高频清洗处理仍可见大量的红锈斑。另外, 该照片还清楚地表明, 应力腐蚀开裂是在试样的受拉面开始的, 而受压面除了表面腐蚀外没有发生应力腐蚀开裂现象, 证明拉应力和腐蚀介质的联合作用是造成应力腐蚀开裂的重要原因, 而压应力和腐蚀环境不会引起22SiMn2TiB装甲钢应力腐蚀开裂。


图3 未经UIT的5号试样应力腐蚀断口的体视显微照片

 组织变化及其对应力腐蚀开裂的影响分析
高频超声冲击试样金相样制备时是垂直于冲击面沿纵向切开, 研磨制备成金相试样, 高频超声冲击试样组织的扫描电镜像如图4所示。高频超声冲击试样断面在电镜下明显分为3层, 表层为金相腐蚀液很难腐蚀的“白层”组织[ 6] , 厚约有25 μm, 在扫描电镜下观察不到任何精细结构;“白层”下面是严重的冲击塑性变形层组织(深度约1 ~ 1.2 mm);冲击变形层下面是未受冲击影响的基体组织。


图4 高频超声冲击试样的断面组织SEM像
 
为研究白层的精细结构, 用线切割方法将含白层的冲击层切下, 研磨制成TEM试样, 图5是平行于冲击表面制备的高频超声冲击“白层”组织透射电镜的形貌像和电子衍射花样。由图5可见, “白层”组织内部位错密度极高, 相互缠结形成位错网络、胞状亚结构(图中黑色区域), 证明“白层”组织已经过严重塑性变形。电子衍射花样呈连续和断续环状, 可以判定是多晶体的衍射结果, 证明白层组织为细晶粒的多晶体。
高频超声冲击22SiMn2TiB高强度钢“白层”的形成可以作如下解释:钢试件在超冲击处理前, 板条马氏体中位错呈网状分布;随着冲击的进行, 试件表面变形量增加, 位错密度增加, 逐渐形成位错缠结;变形量继续增大, 位错缠结转变为胞状形态, 胞数量增多, 尺寸减小, 形成胞状亚结构。这是高频超声冲击处理使材料表层得到晶粒细化的机理。晶粒细化有助于提高材料屈服强度, 从而提高应力强度因子门槛值Kth [ 7] , 因此, 高频超声冲击细化晶粒的作用也有助于提
高装甲钢的抗应力腐蚀开裂性能。

图5 高频超声冲击“白层”组织的TEM像

结论
1)高频超声冲击处理使22SiMn2TiB装甲钢表层引入了约-740 MPa的残余压应力, 并使表层材料得到了晶粒细化。残余压应层的深度为1 ~ 1.2 mm,晶粒细化层深度约25 μm。

2)在经过150 d的应力腐蚀试验后, 经高频超声冲击处理的一组3 个试样均未出现应力腐蚀开裂现象, 而未经处理的另一组3 个试样均出现了应力腐蚀开裂。

3)高频超声冲击处理引入的残余压应力起到了降低腐蚀微裂纹应力强度因子的作用, 晶粒细化起到了提高应力强度因子门槛值的作用。以上2种复合作用使经高频超声冲击处理的22SiMn2TiB装甲钢的抗应力腐蚀性能得到了较大的改善。
4)高频超声冲击处理工艺可用于装甲装备的制造与维修, 可重点对焊缝和应力集中部位进行处理。

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