磨損通常是局部的，所以用焊接修復或填充受損區(qū)域更經濟。當硬質焊接金屬直接用于硬質金屬基底時，會在焊接界面上產生巨大的殘余應力，并產生焊接缺陷。當你進行焊接時，會有一個熱影響區(qū)，當這個區(qū)域冷卻下來時，焊接會產生殘余應力。如果焊接不正確，焊接會使材料的韌性降低高達50%，從而使金屬非常脆，所有這些因素結合在一起會使焊接點成為一個問題區(qū)域。該研究調查了拉伸過載 (OL) 對高強度低合金鋼的影響，這種高強度低合金鋼廣泛用于采礦業(yè)的儲罐和挖掘機鏟斗等設備。

焊接高強度低合金 (high-strength low-alloy, HSLA) 部件廣泛用于汽車、運輸設備、儲罐、挖掘機鏟斗、高層建筑和引風機。焊接部件通常在一系列不同的負載下運行。充分了解實驗室測試的焊接 HSLA 樣品在不同焊接和結構條件下的疲勞行為顯然是有益的。這是因為可以采用已確定的增強抗疲勞性和疲勞壽命的機制來提高那些焊接 HSLA 結構的可靠性和使用壽命。

在此之前已經進行了許多研究，以提高焊接部件的疲勞性能，并將相關焊接工藝的任何不利影響降至最低。來自印度理工學院魯爾基分校的Prasad 和 Dwivedi 在2008年研究了焊接工藝相關參數(shù)（焊接電流/電壓/速度、熱輸入）對焊接 HSLA 鋼的微觀結構、硬度和韌性的影響。他們發(fā)現(xiàn)，通過改變焊接電流和焊接速度，增加熱量輸入會使晶粒結構粗化，從而降低焊縫金屬 (weld metal, WM) 和熱影響區(qū) (heat-affected zone, HAZ) 的硬度。不同焊接方法（如埋弧焊和氣體保護焊）形成的焊接接頭的 WM 和 HAZ 的疲勞性能低于母材 (parent metal, PM) ，因為存在拉伸殘余應力。然而，激光多次回火工藝或適度的焊后熱處理（525°C 下 1 小時）可以大大提高 WM 和 HAZ 的疲勞裂紋擴展性能，因為隨后的疲勞裂紋擴展速率 (da/dN) 與 PM 相似。

本研究嘗試直接測量OL (over loading, 拉伸過載) 誘導塑性變形 (plastic deformation, PD) 在厚度方向沿疲勞裂紋擴展路徑的 10 mm 厚的不同焊縫修復 HSLA 樣品中的厚度方向，以及相應的疲勞裂紋擴展。通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 對保持一小時的拉伸 OL 產生的裂紋尖端損傷區(qū) (damage zone, DZ) 的詳細特征進行了表征。拉伸 OL 引起的 PD 提供了裂紋尖端相關殘余壓應力的間接測量，拉伸 OL 對疲勞的積極影響明顯超過了 DZ 的負面影響。本研究的主要目的是測量詳細的 OL 引起的 PD 分布，并了解 WM 和 PM 之間的軟緩沖層 (buffer layer, BL) 如何與拉伸 OL 相互作用。沿疲勞裂紋路徑通過 WM、BL 和 PM 的 OL 引起的 PD 分布可以提供有關選擇合適的 WM 和 BL 以連接或修復 HSLA 結構的更多信息。

拉伸過載 (over loading, OL) 的影響

在整個疲勞試驗中，基礎疲勞載荷是最大載荷 30 kN 和應力比 R 為 0。在與 WM、BL 和 PM 之間的邊界相關的兩個選定裂紋長度處應用兩個具有一小時保持時間的 OL。第一次 OL 為 70 kN，第二次 OL 為 52 kN，大約是疲勞幅度 30 kN 的兩倍。

圖1顯示了在有和沒有 BL 的焊縫修復 HSLA 中沿疲勞裂紋擴展路徑的 OL 誘導 PD 分布，由實驗數(shù)據和最小二乘法（LSM）曲線表明，當疲勞裂紋擴展到大約 10 毫米。首先，當疲勞裂紋擴展到大約 10 mm 時，測試了焊接修復的 HSLA 樣品中的 PD 變化。在沒有 OL 的情況下，厚度方向沿裂紋擴展路徑的 PD 通過顯示 10 mm 厚度為零。零變形是由于疲勞試驗中的小載荷幅值。因此，零 PD 被假定為基線或數(shù)據。然后測量在應用第一個 OL 后焊接修復的 HSLA 樣品（有和沒有 BL）中的 OL 引起的變形。PD 幅度與到第一個 OL 應用點的距離成線性關系。最大震級出現(xiàn)在該點（或裂紋尖端）處，并隨著距該點距離的增加而減小。

▲圖1. 帶有和不帶有 BL 以及帶有和不帶有第一個 OL 的焊縫修復 HSLA 中沿裂紋擴展路徑的 PD 分布。(a). 有和沒有第一個 OL 的焊接修復 HSLA（無 BL）的 PD 分布。(b). 帶有和不帶有第一個 OL 的 4 mm BL 的焊縫修復 HSLA 的 PD 分布。(c). 帶有和不帶有第一個 OL 的 4 mm BL 的焊縫修復 HSLA 的 PD 分布。

緩沖層及其厚度的影響

為了強調 BL 對 OL 測試條件下焊縫修復 HSLA 的影響，選擇無 BL 焊縫修復 HSLA 的 OL 誘導 PD 分布和巴黎疲勞曲線作為參考性能，并與焊縫性能進行比較 -修復了帶有 BL 的 HSLA，如圖2所示用于 PD 測量，圖3用于疲勞行為。為了強調 BL 厚度變化的影響，圖4中進一步比較了 4 毫米和 10 毫米 BL 的焊縫修復 HSLA。

▲圖2. 有和沒有 BL 的焊縫修復 HSLA 中沿裂紋擴展路徑的 OL 誘導的 PD 分布的比較。(a). 焊縫修復的 HSLA 樣品與 4 mm BL 或無 BL 的比較。(b). 焊縫修復 HSLA 樣品與 10 mm BL 或無 BL 的比較。

▲圖3. OL 測試條件下有或沒有 BL 的焊縫修復 HSLA 的巴黎疲勞曲線比較。(a) 焊縫修復的 HSLA 樣品與 4 mm BL 或無 BL 的比較。(b) 焊縫修復 HSLA 樣品與 10 mm BL 或無 BL 的比較。

▲圖4. 4 毫米和 10 毫米 BL 焊縫修復的 HSLA 樣品的比較。(a) 沿疲勞裂紋擴展路徑的 OL 誘導 PD 分布。(b) OL 測試條件下的巴黎疲勞曲線。

掃描電鏡觀察

使用 SEM 檢查在 OL 測試條件下有和沒有 BL 的焊縫修復 HSLA 的疲勞/斷裂表面，特別強調由拉伸 OL 引起的損傷區(qū) (DZ) 周圍的區(qū)域。為了將顯微觀察與相關位置相關聯(lián)，疲勞/斷裂曲線（宏觀圖）被標記并相應編號。

根據上述描述，圖5顯示了沒有BL的焊縫修復HSLA的宏觀輪廓、位置和 SEM 詳細信息，圖6顯示了具有4 mm BL的焊縫修復HSLA的詳細信息，圖7顯示了帶有10 mm BL的焊縫修復HSLA的詳細信息。

▲圖5. 沒有 BL 的焊縫修復 HSLA 中 OL 誘導損傷區(qū) (DZ) 的疲勞表面概覽和 SEM 細節(jié)。(a). OL 誘導 DZ 的疲勞表面概述。(b). (a)中矩形1的放大圖。(c). (a) 中矩形 2 的放大圖。(d). (b) 中矩形3的放大圖。

▲圖6. 具有 4 mm BL 的焊縫修復 HSLA 的疲勞表面概覽和 SEM 細節(jié)，顯示了 DZ 和附近塑性變形區(qū) (PDZ) 的細節(jié)。(a). OL 誘導 DZ 的疲勞表面概述。(b). (a) 中矩形 1 的放大圖。(c). (a) 中矩形 2 的放大圖。(d). (b) 中矩形 3 的放大圖。

▲圖7. 具有 10 mm BL 的焊縫修復 HSLA 的疲勞表面概覽和 SEM 細節(jié)，顯示了 DZ 和 PDZ 附近的細節(jié)。(a). OL 誘導 DZ 的疲勞表面概述。(b). (a) 中矩形 1 的放大圖。(c). (a) 中矩形 2 的放大圖。(d). (b) 中矩形 3 的放大圖。

在OL測試條件下，具有10毫米緩沖層的焊接修復合金的疲勞壽命比沒有緩沖層的焊接修復鋼的疲勞壽命大大約6倍。

本文來源：Chunguo Zhang, Xiaozhi Hu, Pengmin Lu, Gaiping Zhang, "Tensile overload-induced plastic deformation and fatigue behavior in weld-repaired high-strength low-alloy steel," Journal of Materials Processing Technology, Volume 213, Issue 11, November 2013, Pages 2005-2014, ISSN 0924-0136, dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.05.018.