非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法

摘要

本发明提供了一种非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法，包括如下步骤：在设定应变值条件下对试样进行低周疲劳性能测试，将断裂后的试样进行腐蚀观察，判断断裂位置，并分析得出试样的应变疲劳寿命以及材料属性；在相同备选试样上采用显微硬度点标记原始位置；将标记后的试样进行静态拉伸测试；将静态拉伸测试后的试样进行表面腐蚀，找出硬度标记点所对应的分区，分析得到组织分区所产生的塑性应变量；对试样各组织分区低周疲劳测试中所获得的塑性应变和总应变进行修正，得到各组织分区实际应变；根据试样各组织分区实际应变以及断裂位置，求出断裂位置处的实际应变和寿命；设定不同应变值，重复上述步骤，得到实际应变‑寿命关系。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接接头非均匀组织低周疲劳测试领域，具体地涉及一种非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法。

背景技术

现行低周疲劳测试标准GB-T 15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》中，仅仅对均匀材料的低周疲劳性能测试方法提出了明确要求。而对于焊接接头的低周疲劳性能测试一般也参照该标执行。焊接接头，尤其厚板焊接接头，整个测试范围由母材、热影响区及焊缝内复杂组织构成，组织不同导致各分区域内硬度和强度不同。焊接接头低周疲劳性能测试依靠控制应变量来完成，此应变量为引伸计量程部分所有组织发生的总应变量的平均值。然而焊接接头由于其各分区组织的不均匀性和尺寸的不一致性，导致整个接头某些分区实际应变高于加载应变而发生断裂，这为合理测量接头疲劳性能带来较大困难。

针对厚板窄间隙焊接接头低周疲劳性能测试，组织不均匀性主要表现在热影响区粗晶区、细晶区及两相区尺寸不均匀，焊缝内柱状晶尺寸及生长方向不均匀，而低周疲劳测量时采用的引伸计夹持量程同样包含以上非均匀区域。因此，在测量一定应变值的疲劳寿命时，分区组织出现“高应变”和“低应变”疲劳现象，使得实际应变高于设定应变发生过载，从而发生断裂失效。如果能够采用适当方法，求出在低周疲劳测试过程中各分区实际产生应变，结合所发生的断裂位置，进而得出断裂位置处的实际应变和寿命，从而获得实际的应变寿命关系。

申请号为201810239147.4的专利申请公开了一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，属于材料与构件疲劳性能测试技术领域。本发明通过微观组织和高周疲劳实验，分析蠕墨铸铁的高周疲劳损伤机制，建立蠕墨铸铁微观组织与疲劳强度的定量关系。本发明不仅能有效预测蠕墨铸铁的疲劳强度，可能适用于灰铸铁和金属基复合材料，同时，可以明显降低常规疲劳强度测定所需的实验量，试验过程更加简单、快捷，明显节约了时间、降低人力和物力成本，此方法没有根据材料组织分区进行疲劳应变的修正，得到的数据准确性有待进一步提高。

鉴于以上分析，本项目针对焊接接头非均匀组织低周疲劳性能评估时，提出了一种非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法，该方法能够求出非均匀组织在实际低周疲劳测试时各分组织实际产生的应变，再结合疲劳寿命，从而准确评定焊接接头应变-寿命关系，进而对不同应变幅值下寿命进行准确预测。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法。

根据本发明提供的一种非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法，包括如下步骤：

步骤1：根据焊接接头尺寸和低周疲劳试验标准，加工低周疲劳试样；选取引伸计标距，在设定应变值条件下对低周疲劳试样进行初始低周疲劳性能测试，将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，判断断裂位置，并分析得出低周疲劳试样的弹性应变、塑性应变、总应变、疲劳寿命以及材料属性；

步骤2：根据低周疲劳试样组织分区组织，在相同备选低周疲劳试样上采用显微硬度点标记原始位置，并确保所有硬度点在同一条直线上，在显微镜下测量并记录相邻两个硬度标记点之间的距离；

步骤3：将标记后的低周疲劳试样在静态拉伸机上进行拉伸测试，所用的引伸计标距夹持位置与初始低周疲劳测试一致，拉伸应变量达到初始低周疲劳测试时的加载应变量后即刻卸载；或者，将标记后的低周疲劳试样在低周疲劳机上进行低周疲劳测试，测试次数为对应设定应变值的半寿命循环次数；

步骤4：将卸载后的标记低周疲劳试样进行表面腐蚀，找出硬度标记点所对应的分区，在显微镜下再次测量每两个硬度标记点之间的距离，分析得到组织分区所产生的塑性应变量；

步骤5：根据初始低周疲劳试验测试所得出的弹性应变，以及标记硬度点后静态拉伸试验分析所得的塑性应变，对低周疲劳试样各组织分区初始低周疲劳测试中所获得的塑性应变和总应变进行修正，得到低周疲劳试样各组织分区实际应变；

步骤6：根据低周疲劳试样各组织分区实际应变以及低周疲劳试样的断裂位置，求出断裂位置处的实际应变和寿命；

步骤7：设定不同应变值，重复步骤1至步骤6，得到不同应变值下实际应变和寿命，从而得到实际应变-寿命关系，实现对非均匀组织低周疲劳的应变-寿命方程预测。

优选地，步骤1中，所述引伸计标距长度范围内包含焊缝、热影响区、母材。

优选地，步骤1中，分析低周疲劳测试时最大载荷随疲劳寿命增加变化关系，判断低周疲劳试样的材料属性，即判断低周疲劳试样的材料是否是加工硬化或加工软化材料，若是加工硬化或加工软化材料，记录半寿命循环次数；若不是加工硬化或软化材料，则不用记录半寿命循环次数。

优选地，步骤2中，根据低周疲劳试样的组织分区确定打硬度标记点的载荷，各分区组织至少包含3个硬度点，相邻硬度点之间的距离相等，且相邻硬度点之间的距离至少为20um，在显微镜下验证并记录每相邻两个硬度标记点之间距离。

优选地，步骤2中，所述硬度标记点为正方形，所述正方形的对角线距离在20um以内。

优选地，在进行步骤2之前，将相同备选低周疲劳试样先进行低周疲劳测试一段时间后，再进行硬度标记。

优选地，步骤3中，将低周疲劳试样在静态拉伸机上拉伸时，若低周疲劳试样的材料为加工硬化或软化材料，则在低周疲劳机上进行低周疲劳测试，测试次数为对应设定应变值的半寿命循环次数；若低周疲劳试样的材料不是加工硬化或软化材料，则在静态拉伸机上直接拉伸，当拉伸到对应初始低周疲劳测试时的设定应变量时即刻卸载。

优选地，步骤3中，所述静态拉伸机拉伸时试验速率与初始低周疲劳测试时应变速率相同。

优选地，步骤4中，将卸载后的标记低周疲劳试样进行表面腐蚀，所述表面腐蚀为浅腐蚀，即腐蚀到能够分辨出硬度压痕点及硬度点所在组织分区。

优选地，所述低周疲劳试样表面加工精度及粗糙度满足行业标准要求，每个低周疲劳试样的材料、物理、化学性能均相同。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明针对非均匀组织焊接接头低周疲劳测试时，通过硬度压痕法标记各分区原始位置及尺寸，应变加载后再次对分区位置和尺寸进行标定，通过对比分区尺寸前后变化，进而得出应变疲劳中分区实际应变，避免了测试中实际发生应变和名义加载应变不符而发生的断裂失效；本发明适用于任何非均匀组织低周疲劳性能测试时各分区实际应变检测。

2、本发明通过对非均匀组织各分区实际应变的测量，找出最大应变区域，并结合实际低周疲劳时断裂位置，对应变寿命重新修订，从而对焊接接头低周疲劳寿命进行有效评估。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明静态拉伸试验时所采用的带有硬度标记点的低周疲劳试样。

图2为本发明分硬度标记试样拉伸后的显微镜视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明属于焊接接头非均匀组织低周疲劳测试领域，主要涉及厚板多层多道焊所致焊接接头组织不均匀的低周疲劳性能测试，具体涉及一种非均匀组织焊接接头低周疲劳性能测试过程中各分区组织实际应变量测量，从而完成非均匀组织低周疲劳性能准确评估方法。厚板焊接接头低周疲劳测试过程中，由于接头包含焊缝、热影响区及母材，组织和性能不均匀，导致低周疲劳过程中各分区组织应变不同，从而导致测试中实际发生应变和名义加载应变不符，出现应变过载发生疲劳断裂。鉴于此，本发明提供了一种焊接接头低周疲劳过程分区实际应变测试方法，对低周疲劳试样表面显微硬度点标记原始位置，通过静态拉伸到低周疲劳实际应变值，随后卸载。通过测量标记点之间的各分区距离，从而测出应变疲劳过程中分区实际塑性应变量，结合低周疲劳测试过程中弹性应变量，从而对焊接接头低周疲劳寿命进行有效评估。本发明的技术原理是利用硬度压痕标定分区原始尺寸，应变加载后对比分区尺寸变化，从而得出各分区实际应变值。

根据本发明提供的一种非均匀组织焊接接头低周疲劳过程中分区应变测试方法，包括如下步骤：

步骤1：根据焊接接头尺寸和低周疲劳试验标准，加工低周疲劳试样；选取引伸计标距，在设定应变值条件下对低周疲劳试样进行初始低周疲劳性能测试，将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，判断断裂位置，并分析得出低周疲劳试样的弹性应变、塑性应变、总应变、疲劳寿命以及材料属性；

步骤2：根据低周疲劳试样组织分区组织，在相同备选低周疲劳试样上采用显微硬度点标记原始位置，并确保所有硬度点在同一条直线上，在显微镜下测量并记录相邻两个硬度标记点之间的距离；

步骤3：将标记后的低周疲劳试样在静态拉伸机上进行拉伸测试，所用的引伸计标距夹持位置与初始低周疲劳测试一致，拉伸应变量达到初始低周疲劳测试时的加载应变量后即刻卸载；或者，将标记后的低周疲劳试样在低周疲劳机上进行低周疲劳测试，测试次数为对应设定应变值的半寿命循环次数；

步骤4：将卸载后的标记低周疲劳试样进行表面腐蚀，找出硬度标记点所对应的分区，在显微镜下再次测量每两个硬度标记点之间的距离，分析得到组织分区所产生的塑性应变量；

步骤5：根据初始低周疲劳试验测试所得出的弹性应变，以及标记硬度点后静态拉伸试验分析所得的塑性应变，对低周疲劳试样各组织分区初始低周疲劳测试中所获得的塑性应变和总应变进行修正，得到低周疲劳试样各组织分区实际应变；

步骤6：根据低周疲劳试样各组织分区实际应变以及低周疲劳试样的断裂位置，求出断裂位置处的实际应变和寿命；

步骤7：设定不同应变值，重复步骤1至步骤6，得到不同应变值下实际应变和寿命，从而得到实际应变-寿命关系，实现对非均匀组织低周疲劳的应变-寿命方程预测。

步骤1中，所述引伸计标距长度范围内包含焊缝、热影响区、母材。步骤1中，分析低周疲劳测试时最大载荷随疲劳寿命增加变化关系，判断低周疲劳试样的材料属性，即判断低周疲劳试样的材料是否是加工硬化或加工软化材料，若是加工硬化或加工软化材料，记录半寿命循环次数；若不是加工硬化或软化材料，则不用记录半寿命循环次数。

步骤2中，根据低周疲劳试样的组织分区确定打硬度标记点的载荷，各分区组织至少包含3个硬度点，相邻硬度点之间的距离相等，且相邻硬度点之间的距离至少为20um，在显微镜下验证并记录每相邻两个硬度标记点之间距离。步骤2中，所述硬度标记点为正方形，所述正方形的对角线距离在20um以内，从而确定硬度点的载荷值。在进行步骤2之前，将相同备选低周疲劳试样先进行低周疲劳测试一段时间后，再进行硬度标记及静态拉伸试验，以防止疲劳加载导致加工硬化或软化对分区应变产生影响。优选地，硬度计采用自动硬度计。

步骤3中，将低周疲劳试样在静态拉伸机上拉伸时，若低周疲劳试样的材料为加工硬化或软化材料，则在低周疲劳机上进行低周疲劳测试，测试次数为对应设定应变值的半寿命循环次数；若低周疲劳试样的材料不是加工硬化或软化材料，则在静态拉伸机上直接拉伸，当拉伸到对应初始低周疲劳测试时的设定应变量时即刻卸载，即当拉伸到应变值与对应初始低周疲劳应变值相等时，将载荷卸载为零，不能将应变恢复为零，取下试样。步骤3中，所述静态拉伸机拉伸时试验速率与初始低周疲劳测试时应变速率相同。

步骤4中，将卸载后的标记低周疲劳试样进行表面腐蚀，所述表面腐蚀为浅腐蚀，即腐蚀到能够分辨出硬度压痕点及硬度点所在组织分区。

所述低周疲劳试样表面加工精度及粗糙度满足行业标准要求，每个低周疲劳试样的材料、物理、化学性能均相同。

优选地，包括如下步骤：

第一步，针对焊接接头以焊缝中心为对称线加工标准低周疲劳试样，选取合适引伸计标距能够包含焊缝、热影响区及母材，在不同应变值条件下获得应变量与其对应的寿命，完成低周疲劳测试。

第二步，分析低周疲劳断裂位置；将断裂后的低周疲劳试样进行腐蚀观察，结合焊接接头的金相组织，准确判断出其断裂位置。

第三步，分析低周疲劳测试时最大载荷随疲劳寿命增加变化关系，判断材料是否是加工硬化或加工软化材料，如果是加工硬化或加工软化材料，记录其半寿命循环次数；如果非加工硬化或软化材料，则不用记录。

第四步，将未进行测试的低周疲劳试样表面进行硬度压痕标记。选取较小的硬度载荷，确保压痕点的对角线尺寸一定小于非均匀组织各分区最小尺寸的1/3，即最小分区尺寸应至少包含3个硬度点。确定好硬度压痕的载荷值及硬度点之间的距离，在自动硬度计上对低周疲劳试样进行压痕标记，并确保所有硬度点之间距离相等并在同一条直线上。

第五步，采用金相显微镜，对步骤三所标记的硬度压痕之间的距离再次进行测量记录，准确确定各分区硬度压痕点之间的初始距离。

第六步，将标记好带有硬度压痕的试样，在静态拉伸试验机上拉伸。如果材料为加工硬化或软化材料，则需要在低周疲劳机上进行疲劳，疲劳时间为对应应变量的半寿命。如果材料不存在加工硬化或软化现象，则在静态拉伸机上直接拉伸，当拉伸到对应测量疲劳时的应变量时，即刻卸载。

第七步，将卸载后的拉伸试样，直接用腐蚀剂进行浅腐蚀，能够分辨处硬度压痕点及对应所在的组织即可。

第八步，将浅腐蚀后的拉伸试样，再次在显微镜下对硬度点距离进行标定测量，记录拉伸后硬度点之间距离，从而求出各分区发生的塑性应变量。

第九步，结合第一步计算出的材料弹性应变量和第八步所得出的塑性应变量值，获得各个区域实际低周疲劳过程中的总应变值，结合低周疲劳试样的断裂位置，进而求出断裂位置处实际所发生的应变量，进而对应变进行修正。

第十步，根据第九步所得的断裂位置处的实际塑性应变和总应变，重新获得应变寿命关系；重复以上步骤，分别对不同应变疲劳下的各分区塑性应变分别进行修正，从而实现对非均匀组织低周疲劳的应变-寿命方程准确预测。

实施例1：

以120mm厚CrMoV钢为研究材料，采用多层多道埋弧焊方法，完成焊接，焊缝宽度约20mm。

第一步，以焊缝为中心，加工标准低周疲劳试样21根，平行段标距30mm，采用低周疲劳引伸计25mm。

第二步，选取16根试样，分别以应变幅为0.3％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，0.8％，0.9％分别进行低周疲劳，每个应变幅重复2次，共需试样14根。

第三步，判断低周疲劳试样断裂位置均处于焊缝中心位置，将剩余的7根试样，分别在自动硬度机上进行硬度点标记，硬度点施加载荷为300g，加载时间10s，每两个硬度点距离为100um，总硬度点长度为25mm，等于引伸计标距距离。

第四步，将带有硬度标记点的试样在显微镜下重新测量硬度点尺寸，并做记录。

第五步，将带有硬度标记点的7根试样，再次进行低周疲劳试验，疲劳加载应变幅分别为0.3％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，0.8％，0.9％，当加载次数分别对应应变幅的断裂寿命的一半时即可停止试验，将载荷卸载为零，切记不可将应变恢复为零。

第六步，将卸载的低周疲劳试样，表面进行浅腐蚀，能观察到清晰组织即可。随后重新在显微镜下观察，记录硬度点距离变化，从而对各个区域的塑性应变进行校准测量，如图2所示。

第七步，将塑性应变校准后，结合低周疲劳试样的弹性应变，重新获得试样的弹塑性应变，对低周疲劳试样的寿命进行重新预测。

效果验证如下表所示：

从表中可以看出，试样的实际变形量与加载的应变量是不相同的，实际变形量基本大于加载的应变量，经本发明修正预测的试样低周疲劳寿命与真实寿命误差较小，准确度高于传统寿命预测方法。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。