Page 115 - 机械工程材料2025年第三期

李洋阳，等：双金属复合管中L360MS管线钢焊接接头的疲劳裂纹扩展行为以及疲劳寿命预测

图 2 焊接接头拉伸试样尺寸
Fig. 2 Size of tensile specimen of welded joint

图 5 L360MS 管线钢焊接接头的截面硬度分布
Fig. 5 Section hardness distribution of L360MS pipeline
steel welded joint
图 3 HAZ 疲劳试样的取样位置
Fig. 3 Sampling position of HAZ fatigue specimen 2.2 接头拉伸性能
L360MS管线钢焊接接头的屈服强度和抗拉强
度分别为463，557 MPa，断后伸长率为11.6%，断裂
位置均位于母材上，这说明焊缝的抗拉强度高于母
材，呈现高强匹配状态。由图6可以看出， 拉伸应力-

应变曲线呈现明显的圆屋顶状特征，未见明显的屈
服平台，表现出连续屈服状态，说明焊接接头具有良
好的变形能力。

图 4 CT 试样尺寸
Fig. 4 Size of CT specimen
抛光后用体积分数 4%硝酸乙醇溶液腐蚀母材和
HAZ，用王水腐蚀焊缝，然后用DME200M型光学
显微镜观察裂纹扩展路径。

2 试验结果与讨论

2.1 接头硬度分布 图 6 L360MS 管线钢焊接接头试样的拉伸应力-应变曲线
由图5可以看出，焊接接头的硬度分布非常不 Fig. 6 Tensile stress-strain curves of L360MS pipeline steel
welded joint samples
均匀，L360MS管线钢母材的硬度在170~185 HV范
围，焊缝的硬度在220~250 HV范围，焊缝硬度的起 2.3 疲劳裂纹扩展路径
伏较大。填充层的硬度高于根焊层，这是由于在焊 由图7可见，母材的显微组织主要为铁素体+
接过程中根焊层受上层焊道热输入的影响，发生了 珠光体。铁素体具有较高的抗开裂性能，但是其强
回火软化。此外，在焊缝与母材的界面处出现了硬 度和韧度不高，变形储存能较低。珠光体包含铁素
度跳跃的区域，尤其是左侧熔合线，最高硬度出现在 体和渗碳体，比铁素体具有更好的力学性能。在裂
紧邻熔合线的焊缝一侧，这是由于近熔合线的焊缝 纹扩展驱动力较小，即应力强度因子范围∆K较低
区域出现了富碳区，起到了强烈的固溶强化作用，并 时，疲劳裂纹主要沿铁素体和珠光体晶界扩展，扩展
产生了类马氏体组织 ［15］ ；紧邻硬度最高点的焊缝硬 方式为沿晶扩展；当裂纹扩展驱动力较大（即∆K较
度最低，这是因为镍、铬元素向母材的迁移使固溶强 高）时，疲劳裂纹直接贯穿软质相铁素体，主要以穿
化作用减弱而导致的 ［16］ 。近熔合线的HAZ一侧出 晶方式扩展。硬质相珠光体在偏转裂纹扩展路径和
现了相对的硬度低谷，该区域的局部软化是由于在 阻碍裂纹扩展过程中扮演着重要角色，裂纹穿过珠
焊接过程中发生了高温回火。母材与焊缝在热导率 光体的扩展路径与珠光体片层的取向有关 ［12］ 。
和线膨胀系数等热性能方面的差异导致HAZ产生 由图8可见， 焊缝的疲劳裂纹周围组织主要为等
较大的残余应力，使二者界面处的显微硬度升高。 轴奥氏体。当∆K较低时，裂纹几乎沿直线扩展，穿

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