背景简介

Weldox-700 属于典型的高强度低合金钢，因其高比强度、良好的焊接适应性与优异的服役稳定性，被广泛应用于桥梁、工程机械及车辆承载结构等循环载荷环境。然而，焊接过程不可避免地产生组织不均、残余应力及潜在缺陷，导致疲劳裂纹更易在焊缝区或热影响区萌生并加速扩展，从而影响结构的服役可靠性。已有研究多聚焦于单一区域的疲劳行为，但在工程实际中，裂纹可能在焊缝金属、热影响区乃至母材任意位置萌生。因此，有必要在多取样位置下系统阐明微观组织特征、裂纹扩展路径、晶界错配角及裂纹闭合行为如何协同影响裂纹扩展阻力。

基于此，本研究针对四类典型缺口位置—母材(Base Material, BM)、焊缝金属(Weld Zone, WZ)、热影响区 (Heat-affected Zone, HAZ) HAZ1与HAZ2开展系统的疲劳裂纹扩展试验，并结合 EBSD 表征、显微硬度分布分析、断口形貌观察及裂纹闭合测试，全面揭示了Weldox-700经气态金属电弧焊 (Gas Metal Arc Welding, GMAW) 焊接后的抗裂纹扩展性能增强机制。

成果介绍

（1）焊接接头多区微观结构特征与疲劳裂纹萌生行为：本研究系统表征了Weldox-700焊接接头各区域的微观组织及其对裂纹萌生与早期扩展的影响。基体区主要为等轴铁素体；焊缝区由柱状晶与针状铁素体构成；粗晶热影响区呈片状马氏体及粗大奥氏体晶粒；细晶热影响区由细小铁素体与贝氏体组成。组织尺度与形貌差异显著，导致裂纹在不同区域具有不同的萌生模式与初始偏转路径，如粗晶热影响区裂纹易沿马氏体板条边界偏折，而基体区裂纹更倾向沿铁素体晶界扩展。EBSD 结果进一步表明基体区拥有最高比例的高角度晶界；焊缝区的针状铁素体含大量高错配角晶界；粗晶热影响区与HAZ1则因板条马氏体引入明显取向梯度，使裂纹萌生更受晶界偏折控制。上述特征为后续裂纹扩展与闭合行为分析奠定了组织基础。

图1 （a, b）基体材料；（c, d）焊缝区；（e, f）粗晶热影响区；（g, h）细晶热影响区的光学显微镜和扫描电镜图像

图2 (a–e)反极图取向分布图；(f–j)晶界错配角分布图（含高角度晶界/低角度晶界）；(k–o)核平均错配(KAM)分布图及平均KAM值

（2）多缺口位置的疲劳裂纹扩展规律：本研究依据 ASTM E647制备四类不同缺口位置（基体区、焊接区、HAZ1、HAZ2）的 CT 试样，系统开展疲劳裂纹扩展测试。da/dN-ΔK曲线分析表明：基体裂纹扩展最快、应力强度因子范围门槛值ΔKth最低（13.1 MPa·m1/2），抗裂能力最弱；HAZ1的ΔKth最高（17.7 MPa·m1/2），在门槛值上表现最优；焊缝金属在Paris区表现出更高扩展阻力，在消除裂纹闭合后其ΔKeff,th达到8.6 MPa·m1/2，表明针状铁素体在稳定扩展阶段对裂纹具有更强的偏转与阻断效应。此外，进入Paris区后各区域扩展曲线差异显著缩小，说明稳定扩展阶段主要由外载控制，组织影响趋弱。

图3 不同取样条件下试验获得的da/dN-ΔK曲线

（3）裂纹闭合机制的系统解析：通过测定裂纹张开载荷Pop、闭合比U及ΔKth，本研究揭示了不同区域闭合效应的差异性。HAZ1 与 HAZ2 在门槛区的Pop/Pmax显著升高，粗糙断口与杂化组织使裂纹面提前接触，从而提升阈值。剔除闭合影响后，焊接区的ΔKeff,th最高，进一步证明针状铁素体的微观偏转能力对裂纹扩展具有关键阻碍作用。粗糙度与 CTOD 对比显示，门槛区主要受粗糙度诱导闭合支配。进入Paris区后，塑性诱导闭合成为主导，而氧化物闭合因室温氧化有限而贡献较小。

图4 (a) 裂纹长度约为15 mm时裂纹张开载荷的计算示例；(b) 归一化疲劳裂纹张开函数随裂纹长度的变化

图5 阈值区附近断口表面粗糙度的三维形貌：(a, e) 基体（BM）；(b, f) 焊缝金属（WZ）；(c, g) HAZ1；(d, h) HAZ2试样

（4）最终断裂形貌与断裂机制分析：在疲劳裂纹进入不稳定扩展阶段后，各取样位置的最终断口形貌表现出显著差异，但整体均呈现典型的韧性断裂特征。图 6 展示了 BM、WZ、HAZ1 与 HAZ2 的最终断裂区域，可见断口均由大量深度不同的韧窝组成，说明材料在临界失效前经历了显著的微孔聚合过程。基体区韧窝分布较为均匀，但形貌较浅；焊缝区则含有明显的球状夹杂物，使局部韧窝尺寸增大并形成不规则撕裂边缘；HAZ1 与 HAZ2 的韧窝形态更为粗糙，局部区域可见撕裂脊和次生微孔，反映出混合组织导致的应力集中效应更为突出。整体来看，最终断裂行为仍以微孔聚合控制，但不同区域的组织不均匀性使得韧窝尺度与形貌存在显著差异。

图6 各区域最终断裂区宏观–微观形貌：(a) BM; (b) WM; (c) HAZ1; (d) HAZ2

致谢

本研究受到印度国防研究与发展组织（DRDO）军械研究委员会资助（grant No. ARMREB/MAA/2022/262）。作者感谢 R&DE Engineers 提供 Weldox-700 钢材料支持。本文第一作者：Reetesh Tiwari（Institute of Technology Roorkee），本文通讯作者：Indra Vir Singh（Institute of Technology Roorkee）。

本期小编 本期小编：刘昊东（整理）

董乃健 （校对）

程 航 （审核）

董乃健 （发布）