《Materials Today Communications》：Fatigue behavior and surface damage localization in welded S460 steel after accelerated corrosion exposure
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摘要：开展了一项试验研究，旨在考察焊接S460试样在加速腐蚀调理后的疲劳响应及可见损伤位置。考虑了四种初始表面状态：无腐蚀暴露、暴露3天、暴露6天，以及6天加3天强化阶段的组合，分别命名为3D、6D和6+3D/9D。以R=0.1的应力比施加拉拉疲劳载荷。在指定
摘要：开展了一项试验研究，旨在考察焊接S460试样在加速腐蚀调理后的疲劳响应及可见损伤位置。考虑了四种初始表面状态：无腐蚀暴露、暴露3天、暴露6天，以及6天加3天强化阶段的组合，分别命名为3D、6D和6+3D/9D。以R=0.1的应力比施加拉拉疲劳载荷。在指定暴露结束后以及循环测试完成后，使用Olympus DSX1000数字显微镜对选定的焊接区域进行记录，重点关注可见表面变化和断裂局部化。定性光学观察显示，所检查的代表性区域中可见表面变化逐渐增多。3D试样表现出有限的可见表面变化，6D试样显示出更为明显的腐蚀产物区域和类凹坑表面特征，而6+3D/9D试样在四个代表性试样中表现出最广泛的可见表面变化。未对焊接疲劳试样进行定量表面形貌、凹坑深度、粗糙度或直接质量损失测量。拟合的S-N曲线在研究数据集内呈现非单调排序：3D和6D条件下的拟合曲线位于未腐蚀参考曲线上方，随后6+3D/9D条件呈现较低的拟合响应。由于未建立各条件曲线之间的统计差异，该排序仅被解释为描述性试验趋势。疲劳测试后，所有代表性试样均在焊缝趾部及焊缝邻近区域显示出可见断裂局部化。腐蚀相关的表面变化在同一焊接区域内可见，但定性光学观察无法确定精确的微观裂纹萌生位置或单个类凹坑表面特征的因果贡献。因此，主要贡献在于对四个代表性试样的观察结果：在所研究的暴露条件下，可见断裂局部化始终与焊接区域相关，而腐蚀相关的表面变化在同一疲劳临界区域内发展。
加速腐蚀暴露对焊接S460钢疲劳行为影响的实验研究解读
一、研究背景与问题提出
焊接是实现高效力传递和制造几何复杂承重钢结构细节的关键工艺。然而，焊接细节的疲劳抗力往往由焊接区域所控制。焊缝趾部或根部的轮廓变化与拉伸残余应力、焊接缺陷以及热影响区内材料组织变化共同作用，使得即使在名义应力低于母材屈服强度的情况下，重复加载所产生的缺口效应也能引发局部高应力并导致疲劳裂纹的萌生与发展。
现行设计实践通常通过S-N关系和指定的疲劳等级来评估焊接细节，IIW框架包含名义应力法、结构热点应力法和有效缺口应力法。在服役期间，腐蚀环境可能改变焊接细节的表面状态，进而改变其疲劳响应。暴露于腐蚀环境可能导致腐蚀产物累积、表面不规则性增加、局部材料损失以及凹陷状缺陷的形成，这些变化可引入二次缺口，影响疲劳损伤的起始和早期发展。若这些变化发生在焊缝附近，其影响将与接头已有的几何不连续效应叠加。这一交互作用对高强度钢尤为重要，因为其疲劳性能往往受表面质量和缺口敏感性限制。
已有文献表明，焊接接头腐蚀疲劳行为并非由单一参数控制。暴露强度、焊缝轮廓、表面形态、缺陷分布及断裂发展位置都可能对最终响应产生影响。尽管腐蚀相关特征可能增加局部缺口严重性，但试样间焊缝趾部几何和表面条件的差异可能掩盖其对疲劳寿命结果的影响。
研究人员的先前研究分别探讨了焊接接头疲劳和腐蚀影响疲劳问题。早期焊接S460研究未考虑加速预腐蚀，而腐蚀疲劳研究主要针对非焊接试样或理想化腐蚀缺陷。这些研究未考察在加速腐蚀暴露后，可见断裂局部化是否仍与代表性焊接S460试样中的焊缝趾部相关，也未将特定条件下的S-N数据集与配对定性光学观察相结合。这一未解决问题构成了本研究的主要知识空白。
二、研究内容与主要贡献
本研究实验矩阵包括四种初始表面状态的焊接S460试样：未腐蚀、3D、6D和6+3D/9D。疲劳测试采用R=0.1的拉拉循环加载，使用Olympus DSX1000数字显微镜在指定暴露完成后及疲劳测试后记录选定的焊接区域。研究考察了四个代表性试样的可见断裂区域在加速暴露后是否继续与焊缝趾部及其紧邻区域重合。主要贡献在于将特定条件的S-N数据集与配对定性光学记录进行联合解释。在所选试样中，可见断裂区域仍与焊接区域相关联；拟合S-N关系的排序仅作为次要描述性观察，因为疲劳分散性和试样变异性未被消除，光学图像也无法确定某一特定类凹坑表面特征是疲劳裂纹的微观起源。论文发表于《Materials Today Communications》。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：加速盐雾腐蚀实验，使用Ascott S2000is设备依据ISO 9227标准程序，以5%NaCl溶液连续盐雾进行，包含35℃/48℃和50℃/48℃两种温控模式，设置了3D、6D和6+3D/9D三组暴露历程；疲劳测试采用Amsler 20 HFP 5100谐振电磁脉冲试验机，施加R=0.1的恒幅拉拉载荷循环，并依据每件试样暴露后的实测横截面积确定载荷；焊缝宏观表征遵循EN ISO 17639进行焊接接头宏观金相评估；光学显微观察采用Olympus DSX1000数字显微镜，在疲劳测试前后对代表性焊接区域进行定性记录，包含全景和局部细节图像，各图保留校准比例尺。研究样本为S460结构钢焊接十字形试样，未进行SEM断口分析及定量表面形貌测量。
四、研究结果
4.1 疲劳寿命结果
基于四种表面状态的完整疲劳数据集表征了焊接S460接头的S-N响应。所有循环试验采用力控制、恒幅、R=0.1。采用Basquin幂函数对仅以失效结束的试验数据进行拟合，运行件（run-outs）未纳入拟合关系。由于各条件组大小不同且相同应力幅下重复有限，未进行推断性检验来证明四条拟合关系之间的分离，曲线仅作为实验观察的描述性总结，既不建立疲劳强度改善，也不支持测量寿命区间外推。选用于显微观察的代表性试样均在σmax=260MPa下测试，未腐蚀参考、3D、6D和6+3D/9D试样的疲劳寿命分别为67,899、149,848、166,989和128,457次循环。在研究实验范围内，3D和6D条件的拟合曲线位于未腐蚀条件拟合曲线上方，随后6+3D/9D呈现较低拟合响应，该排序仅代表描述性趋势。
4.2 疲劳测试前表面状态
对各表面条件的代表性试样在指定暴露完成后、循环加载前进行观察。未腐蚀参考试样未观察到可见腐蚀产物或腐蚀诱导类凹坑特征，主要可见特征与焊接接头相关，包括焊缝轮廓、焊缝趾部过渡和局部表面不规则。3D试样表面在焊接区域附近呈现局部变暗区域和轻微表面不规则性，未见广泛腐蚀损伤或明显主导类凹坑特征。6D试样在板表面和焊缝趾部邻近区域观察到更为明显的表面变暗和类凹坑表面特征。6+3D/9D试样的检测区域在 исследуемые试样中显示出最广泛的暗色腐蚀产物区域和最明显的局部类凹坑表面特征。
4.3 疲劳测试后表面状态
疲劳后光学观察记录了可见断裂局部化区域与焊接接头的相对位置。在未腐蚀参考试样中，可见断裂局部化出现在焊接区域附近。3D试样同样在焊接区域内显示可见断裂局部化。6D试样中可见断裂局部化区域仍与焊接接头相关，未位于母材远端腐蚀影响区域。6+3D/9D试样表现出最明显的可见断裂开口，同样在焊接区域附近局部化。
4.4 局部断裂区域观察
局部显微观察显示了可见断裂区域、焊缝趾部、焊缝邻近区域和腐蚀影响表面之间的空间关系。未腐蚀参考试样中可见断裂局部化区域位于焊缝趾部和焊缝邻近区域附近。3D试样显示与焊接接头相当的空间关联。6D试样中，类凹坑表面特征和局部腐蚀产物区域在断裂局部化区域和焊缝趾部附近可见。6+3D/9D试样中最明显的可见断裂开口位于焊接区域附近，腐蚀影响区域和类凹坑表面特征同样在断裂局部化区域附近可见。在四个代表性试样中，可见断裂局部化均与焊接区域相关；三个腐蚀代表性试样中，类凹坑表面特征在断裂局部化区域附近可见。由于未进行断口检查，光学观察无法确定精确裂纹萌生位置或证明裂纹萌生于单个表面缺陷。
五、讨论总结与研究结论
本研究将先前分别考察的两方面结合：早期焊接S460研究未考虑加速腐蚀暴露的焊缝控制疲劳，而早期腐蚀疲劳研究主要聚焦非焊接试样或理想化缺陷。研究进展不在于定量证明凹坑到裂纹的机制，而在于观察到四个代表性试样在加速腐蚀暴露后可见断裂局部化仍与焊缝趾部相关。伴随的非单调S-N排序是需要谨慎解释的次要观察。
焊接S460试样的疲劳行为与先前非焊接S460NL试样在类似腐蚀程序下的单调退化不同，3D和6D拟合曲线位于未腐蚀曲线上方。然而这些差异本身不能确立疲劳抗力的改善。焊接缺口持续重要提供了可能的解释：所有代表性试样中焊缝趾部仍是可见临界部位，条件间差异可能源于局部趾部形状、腐蚀形态、残余应力变异性、试样间差异和正常疲劳分散的叠加影响。腐蚀暴露改变了焊缝趾部附近的可见表面条件，但单个表面特征的力学相关性取决于其几何形状和周围局部应力场。由于未测量凹坑深度、长宽比及局部应力集中，可见特征无法被分类为力学上重要的萌生位点或相对于焊缝趾部可忽略的浅表不规则。本研究结果为焊缝几何、腐蚀诱导表面变化和疲劳损伤间的相互作用提供了定性假说，整体结果与焊缝趾部几何、可见腐蚀相关表面变化、局部变异性和疲劳分散性的综合影响一致，腐蚀被解释为已有疲劳临界焊接区域内局部表面条件的调节因素，而非独立于焊缝几何作用的单独因素。
研究结论如下：（1）所选未腐蚀试样在循环加载前未观察到腐蚀产物或腐蚀相关类凹坑特征，其测试后图像将可见断裂区域定位在焊接细节内，与焊缝趾部缺口保持主导疲劳临界特征一致。（2）定性光学观察显示不同可见表面状态：3D试样有限变化，6D试样更明显的腐蚀产物区域和类凹坑特征，6+3D/9D试样最广泛的表面变化；由于未进行定量形貌测量，无法确立条件特定的凹坑尺寸、粗糙度或材料损失。（3）四个代表性试样的可见断裂局部化均保持在焊缝趾部和邻近区域附近，腐蚀暴露未将断裂移离焊接接头，但仅检查各条件一个试样，不应解释为完整数据集的整体行为。（4）三个腐蚀试样的类凹坑特征和腐蚀影响区域在断裂局部化附近可见，为腐蚀改变疲劳临界焊接区域内表面条件提供了定性证据，但无法确定精确萌生位置和单个凹坑贡献。（5）S-N数据集呈现非单调描述性趋势，3D和6D拟合曲线位于未腐蚀参考曲线上方，随后6+3D/9D呈现较低响应，但未建立统计差异，疲劳分散、局部焊缝几何差异和腐蚀形态变化均可能促成该排序，因此数据集不支持腐蚀改善疲劳性能的一般性结论。确定主导萌生和扩展机制需要试样特定形貌、焊缝趾部半径和侧面角系统测量、金相检验、局部应力分析及SEM断口检查。
