表面裂紋在不同控制模式下的擴展特性

2010-04-26 02:31:30張利娟高靈清張亞軍

中國測試 2010年2期

關鍵詞：裂紋

張利娟，高靈清，張亞軍

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽 471039）

1 引言

壓力容器在使用中常常由于間斷操作和開停工作、溫度變化、運行工藝壓力波動以及外加載荷的反復變化等原因，使其承受交變載荷的作用，往往很容易萌生表面裂紋，并在外載荷作用下逐漸擴展，最終發生疲勞破壞[1-2]。據統計，壓力容器破壞事故中有40%～50%是由疲勞裂紋引起的，而且大多屬于低周疲勞[3-4]。因此，有必要對壓力容器低周疲勞表面裂紋的擴展規律進行研究。

為模擬壓力容器具有表面裂紋時的特征，船標CB/Z 264-1998《金屬材料低周疲勞表面裂紋擴展速率試驗方法》[5]中介紹了一種用于懸臂彎曲加載表面裂紋擴展修正了的Gross板彎曲試樣[6]，如圖1所示。左側100 mm長為約束面，右側260 mm長為上下周期擺動的臂，約束面與擺動臂之間為一個半徑為55mm的圓弧，圓弧上下對稱，在上圓弧幾何中心處通過銑切的方法加工一個矩形截面的切口，切口長4mm，寬1.5 mm，深度為1.25 mm；然后將半徑為4.25 mm的刀刃放在切口內，并施加400N的預載荷，采用千分表控制壓下距離，壓下距離約為0.43 mm，使其銳化長度在切口兩端部對稱，總銳化長度為1.0mm。張亞軍等[7]曾證明該試樣圓弧部分處于雙向應力狀態，且垂直于表面裂紋擴展方向的應力為沿裂紋擴展方向應力的兩倍，滿足壓力容器內壓圓筒的應力分析[8]，可以用來模擬具有表面裂紋的壓力容器殼體部位，因此，行業內常使用此類型試樣來進行金屬材料低周疲勞表面裂紋擴展速率試驗。

對低周疲勞而言，由于構件的應力峰值可以達到或超過材料的屈服點，為了保證試驗控制的精度，一般采用應變作為控制參量來研究材料的抗疲勞性能[9]。試驗經驗表明，在懸臂彎曲加載方式下，控制應變進行疲勞試驗遠比控制應力困難，因而此船標指出可以通過調整載荷或位移實現應變控制。

圖1 試樣形狀與尺寸

該文采用應變、載荷和位移三種控制模式，獲得了懸臂彎曲加載狀態下低周疲勞表面裂紋擴展特性，比較分析了試驗結果，為工程應用選擇提供參考。

2 試驗方法

針對高強鋼壓力容器面臨的突出疲勞問題[10]，試驗選擇800MPa級的10CrNi5Mo高強鋼在具有懸臂彎曲加載系統的PWS-50型電液伺服動靜萬能試驗機上進行，加載頻率f=1Hz，正弦波形，控制應變、載荷和位移的最小最大值之比為-1。表面裂紋長度采用放大倍數為30倍的光學顯微鏡測量，測量精度為0.01mm。在試樣加工有表面裂紋的圓弧一側距試樣邊緣5 mm處沿試樣圓弧方向粘貼國產BE120-8AA型號應變片，使應變片有效電阻絲的中心線與表面裂紋銳化刀口尖端位于同一直線上。應變片通過動態應變儀接入計算機，最后通過計算機實現表面裂紋前緣總應變的連續控制或監測。試驗時先預制裂紋，選取試驗材料屈服應變的0.65作為預制裂紋的最大應變范圍，在此應變范圍下，表面裂紋長度擴展至8mm時預制疲勞裂紋完成。對已預制好疲勞裂紋的每一試樣，按應變范圍Δε1進行表面裂紋擴展試驗，直到可以建立裂紋擴展速率，再把下一個較高的應變范圍Δε2施加于試樣，建立Δε2下的裂紋擴展速率，……，直到建立Δε7的裂紋擴展速率為止。試驗分別采取應變、載荷和位移控制模式，按從低到高的級別順序完成相應試驗。以不同模式同一級別達到一致的表面裂紋長度增量為基準來確定該級別的作用時間，且應變片的粘貼位置嚴格保持一致，從而盡量保證表面裂紋長度與裂紋前緣總應變幅關系的唯一性。

不同應變范圍水平的表面裂紋擴展速率d（2c）/dN按下式計算：

式中：[d（2c）/dN]i——第i級應變范圍水平下的表面裂紋擴展速率；

（2c）i——第i級應變范圍水平下Ni循環次數的表面裂紋長度；

Ni——第i級應變范圍水平下的循環次數。

2.1 應變控制

根據壓力容器所承受壓力的不同，試驗選用7個應變級別，應變幅值分別為 3 000 με，3 600 με，4 000 με，4800με，5600με，6400με，7200με。試驗過程中采集裂紋擴展時對應的各級別的載荷和位移的峰谷值。

應變片基于金屬絲的電阻應變效應，即通過電阻的變化測量其變形量[11]，已廣泛應用于模型的應力應變分析測試。雖然應變片具有靈敏度高、測量結果可靠等優點，但對此加載方式下具有特殊形狀的試樣而言，應變片被粘貼在凹槽部位并作為控制信號使用，試驗周期又較長，應變片很容易脫膠或疲勞失效而導致試驗失敗。因此，采用應變模式控制具有一定的試驗難度。

2.2 載荷控制

取應變控制時相應級別載荷幅值的平均值作為載荷控制時該級別的控制參數，分別為3.20 kN，3.78 kN，4.20 kN，5.00 kN，5.60 kN，6.07 kN，6.60 kN。試驗過程中記錄并采集位移和裂紋前緣應變兩參數的峰谷值。

2.3 位移控制

和載荷控制類似，同一級別下，取應變控制所對應位移幅值的平均值作為控制參數，分別為5.40mm,6.49mm，7.02mm，8.50mm，9.62mm，11.07mm，12.16mm。試驗過程中同時記錄和采集載荷及裂紋前緣應變兩個參數的峰谷值。

3 結果與分析

每個控制模式采用兩個試樣進行，將應變、載荷及位移任一控制模式所采集得到的另兩個變量的峰谷值進行數據回歸處理，則這兩個試樣體現出相同的變化規律，結果見圖2（上曲線為峰值，下曲線為谷值）。

應變控制時（圖 2（a）、（b）），載荷和位移的變化趨勢一致：其峰谷值在裂紋擴展初期變化不大，隨裂紋的繼續擴展，均逐漸向負向增加，且這種趨勢越來越明顯。隨著應變范圍的增加，試樣表面的塑性變形會加大，裂紋前緣部位粘貼的應變片隨之會被拉長，產生一定的殘余應變；同時裂紋尖端隨裂紋的擴展離應變片越來越近，應變片受應變集中的影響越來越大，所產生的殘余應變也會越來越大（此殘余應變真實地記錄了試樣的變形狀態，試驗過程中不宜人為清零或更換應變片）。將每個級別結束時應變片的殘余應變記錄下來（見表1），可看到殘余應變隨著應變級別的提高而逐漸增大。在下一級別應變控制時，為了保證應變比為-1，應變片提供的正應變將減少，負應變將增加；載荷和位移根據應變片的實際變形量則會表現出圖中的變化趨勢。

表1 不同應變級別下應變片的殘余應變

載荷控制時（圖 2（c）、（d）），位移的峰谷值變化不大，隨載荷級別的提高，位移的幅值保持穩定增長，從而呈現出向兩個方向發散的現象。應變則由于殘余應變的存在向正向偏離，總應變幅隨載荷級別的提高而增大。

位移控制時（圖 2（e）、（f）），隨裂紋的擴展，應變的峰谷值呈現出由變化不大到漸漸趨向于峰值的趨勢，且這種趨勢越來越明顯，這同樣是因為應變片的殘余應變引起的。在第5級別時，正應變由于試樣的塑性變形過大導致應變片變形達到量程，該值不再變化。載荷的峰谷值在整個過程中幾乎沒有變化，只有在高級別時才表現出下降趨勢。

可見，應變、載荷和位移之間的對應關系并不恒定，即使是采用應變控制過程中載荷和位移的平均值作為控制參數，得到的結果還是和預期應變值有較大差別（見表2）。調整載荷或位移來確保應變控制時，需要根據事先確定的各應變級別（尤其是高應變級別）中應變與載荷或位移的對應函數關系實時對控制參數進行調整，這樣無疑會增加試驗的操作難度和工作強度。為了更方便地研究表面裂紋的擴展特性，應該進一步完善應變片的使用方法，或者尋找其他實現應變控制的方法。

對不同控制模式下的對應名義總應變范圍ΔεT和表面裂紋擴展速率d（2c）/dN數據進行回歸處理，獲得d（2c）/dN～ΔεT關系曲線。將各控制模式不同級別對應的應變范圍最大最小值與表面裂紋擴展速率的數據分布繪制在同一坐標系下（見圖3）。可見，表面裂紋擴展速率在載荷和位移控制模式下相差不大，且都高于應變控制模式。