孟杰

摘 要：本文通过对海洋低合金高强钢焊接件腐蚀规律及裂纹扩展进行研究发现，焊接接头结构的不均匀性对裂纹扩展有明显影响。粗组织的热影响区往往在较低的应力值下开裂，相邻区域的裂纹扩展方向明显偏离热影响区;对于受海水腐蚀的原位拉伸试样，微裂纹萌生数量增加，对应于裂纹萌生的应力值和裂纹扩展的应力峰值减小，裂纹扩展速率增加。

关键词：低合金高强度钢;焊接接头;耐腐蚀性;应力腐蚀;裂纹扩展

1.引言

基于自力更生的原则，我国海洋工程材料急需投入研发，以实现快速发展，摆脱对进口材料的依赖。由于海洋环境复杂多变，船用钢的使用性能经常受到极其严峻的考验。一方面，船舶焊接结构应承受多次焊接产生的内应力，以防止随时可能发生的应力腐蚀开裂失效;另一方面，波浪始终对船体的影响、海水浸泡的腐蚀以及昼夜温差引起的剧烈温度变化对船体材料的影响不可低估。因此，在保证船舶平稳安全运行的前提下，船用钢必须具有优异的抗冲击性、耐腐蚀性和抗断裂性[1]。

2.低合金高强度钢的焊接性和焊接工艺

目前，对低合金高强度钢焊接性能的研究主要集中在焊接接头的裂纹敏感性分析、母材性能与焊缝填充材料的匹配程度以及热循环相关参数的计算，研究难点体现在如何在不损失低合金高强度钢焊接接头强度性能的前提下，避免热影响区产生裂纹，有效提高焊接接头韧性这一关键问题的解决上。相关试验表明，当低合金高强度钢的抗拉强度超过800MPa时，其焊接接头容易产生冷裂纹[1]。低合金高强度钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊和混合气体保护焊。焊接方法的选择往往需要综合考虑母材和焊缝的性能要求、焊接难度和经济性。即在保证焊接接头质量的前提下，尽可能降低生产成本，获得良好的经济效益。

2.1低合金高强度钢焊接接头在海水中的腐蚀行为及特点

现代船用钢主要集中在低合金高强度钢和碳钢中，这两种钢在海水中的耐蚀性一直难提高。主要原因是海水中氯离子含量很高，且这两种钢在海洋环境中阳极活性高、极化低，使钢表面不能形成有效的防腐钝化保护膜。在低合金高强钢焊接接头的焊接过程中，由于焊接热循环的原因，母材、焊缝和热影响区的显微组织存在明显差异。显微组织和成分的差异使焊接接头不同部位的耐蚀性不同。结构的不均匀性也会导致焊接接头不同区域的电位差，这正好满足电偶腐蚀的前提，即随着阴极速度的减慢，高电位区域的腐蚀速率降低，随着阳极速度的加快，低电位区域的腐蚀速率降低[2]。

2.2船用低合金高强度钢焊接接头应力腐蚀研究

船用钢使用环境恶劣，使用周期长。海水、海洋大气和干湿交替属于强腐蚀环境。现代船舶具有尺寸大、结构复杂、焊缝数量多、焊缝及热影响区晶粒粗大等特点，其化学成分及相关性能与母材有很大差异。电偶腐蚀、点蚀、应力腐蚀等腐蚀行为极易发生，焊接区域会产生残余应力。基于上述因素，船用钢尤其是低合金高强度钢的焊接接头容易发生腐蚀和应力腐蚀开裂。

3.海洋低合金高强钢焊接件裂纹扩展

3.1应力腐蚀开裂的定义和条件应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是指材料在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下的断裂。应力腐蚀开裂不能判断断裂时间，加上腐蚀介质环境和外界应力的存在，与其他类型的腐蚀相比，其裂纹扩展速度较快，容易带来极其严重的后果。材料强度的提高与应力腐蚀敏感性的提高之间存在因果关系[3]，这意味着海洋低合金高強度钢在海洋环境的使用过程中具有较高的应力腐蚀敏感性。在船用钢中添加合金元素有助于提高强度，但同时，合金元素在晶界形成的碳和氮化合物的沉淀以及带状组织的形成可能导致低合金高强度钢的应力腐蚀敏感性增加[4]。此外，现代大型船舶结构复杂，焊接件较多。从夹杂物的角度来看，母材中的夹杂物比焊缝中的夹杂物小得多;在低合金高强度钢的焊接接头中，为了保证焊缝与母材的强度匹配，焊缝金属的合金化程度较高，但也会在焊缝区域产生微孔、非金属夹杂物等微缺陷，容易产生应力集中;由于焊接热循环过程导致焊接热影响区晶粒粗化和残余应力，因此发生点蚀和应力腐蚀的概率非常高[5]。

3.2应力腐蚀的特征

应力腐蚀试样的断口通常呈现灰色和深色，表面将覆盖腐蚀产物，应力腐蚀试样的断裂受合金成分、腐蚀介质类型和外界应力的影响。焊接热循环系数的选择取决于钢型母材的热敏性，对于某些热敏性较高的钢类型，选择较小值的焊接热循环系数更为合适。预热和后加热是降低低合金高强度钢焊接冷裂纹数量的常用方法。预热温度的选择通常取决于钢的化学成分和热影响区的最大硬度值。常用的预热温度在250℃以下。对于焊接刚度较高的钢材，可适当采用较高的预热温度，但不得超过300℃。焊接冷裂纹容易在焊后一段时间内萌生，因此及时进行后热处理十分必要。

3.3低合金钢高强度钢焊接接头裂纹扩展研究

船舶在波浪较大的海洋环境中，需要长期承受自身的载荷惯性和波浪的冲击，船体结构中存在大量焊缝。焊接部位长期处于交变应力状态，由于焊接残余应力的存在，容易年复一年地发生应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳，导致材料断裂[6]。如果不能及时有效的处理，船舶的使用安全将受到极大的威胁。一方面，船舶结构焊接件的设计阶段要求较高，需要尽可能降低裂纹萌生概率;另一方面，还需要研究裂纹扩展速率的计算、扩展路径的判断以及裂纹扩展的影响因素。

结论

本文研究了两种低合金高强度钢焊接接头不同区域的显微组织、耐海水腐蚀性、抗应力腐蚀性和裂纹扩展规律，并找出了两种焊接接头在耐腐蚀性和抗断裂性方面的薄弱环节，为低合金高强度钢焊接接头在造船领域的实际应用提供了科学的理论参考。同一种907A钢的热影响区在小应力载荷下会开裂，907A/921A异种钢焊接接头的抗裂性较差。海水腐蚀对裂纹扩展有显著影响。海水腐蚀后，两个焊接接头的抗裂性降低;腐蚀坑的存在加速了裂纹扩展速率，导致海水浸泡后断裂时间明显缩短;焊接接头裂纹扩展倾向于强度较低一侧的现象越来越明显。

参考文献：

[1]张平生，刘军海，苏启生，蔡和平;扫描电镜直接观察疲劳裂纹扩展[J];分析测试通报;1990年06期.

[2]刘建新，涂小慧，鄢文彬，涂铭旌;两种低合金高强度钢的低温疲劳裂纹扩展行为研究[J];机械工程材料;1991年01期.

[3]刘建新，涂小慧，胡志忠，鄢文彬，涂铭旌;两种低合金高强度钢的低温疲劳裂纹扩展机制及疲劳机制图[J];机械工程材料;1992年04期.

[4]徐建国，H.W.Liu;铝合金疲劳裂纹扩展过程中夹杂物影响的量化分析[J];浙江大学学报（自然科学版）;1993年04期.

[5]张海泉，张彦华，李刘合，马翔生;力学失配对电子束焊接接头疲劳裂纹扩展行为的影响[J];焊接学报;2000年03期.

[6]张萍;张芳;王莺;16MnR 钢高温疲劳裂纹扩展行为试验研究[J];化工设备与管道;2005年06期.

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