海洋工程用鋼疲勞壽命與CTOD 值關(guān)系的研究*

余 立 苗張木 馬 濤 冷曉暢

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (上海外高橋造船有限公司2) 上海 200137)

海洋工程用鋼強(qiáng)度高、厚度大的特點(diǎn)決定了疲勞性能和韌性會(huì)成為該領(lǐng)域所用鋼材的2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[1].本文選用在海工行業(yè)中具有代表性的的EQ70 作為研究對(duì)象,對(duì)該鋼種進(jìn)行了全厚度的V 裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗(yàn)和4 點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),分別得出了反映韌度指標(biāo)的CTOD 值和反映疲勞性能的對(duì)數(shù)疲勞壽命值,并得出了這2 個(gè)值之間的聯(lián)系.

1 材料參數(shù)

試驗(yàn)所用母材是由日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社鹿島制鐵所提供,供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)鋼,規(guī)格為AB 級(jí)EQ70.厚度為60 mm.主要力學(xué)性能(常溫):σs=780 MPa,σb=829 M Pa,屈強(qiáng)比k =0.96,E=210 G Pa,μ=0.3.

2 CT OD 試驗(yàn)

2.1 試樣的制備

試樣的截取、制備是按規(guī)范NS-EN10225-2001[2]和BS7448—1[3]進(jìn)行.為了使CTOD 值能夠準(zhǔn)確地反映鋼板的整體韌性,試樣厚度應(yīng)盡可能接近原始鋼板的厚度.另外,由于海工結(jié)構(gòu)鋼板厚度大,如果按照規(guī)范如GB2649—1989,用沖擊韌性來反映鋼板的整體韌性,則要將厚度為60～100 mm 的鋼板,沿厚度方向取3 個(gè)小的標(biāo)準(zhǔn)試樣(10 mm ×10 mm ×55 mm)來測(cè)量.從力學(xué)角度看,這是把厚板材料原本所處的3 向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為平面應(yīng)力狀態(tài),然后再測(cè)量沖擊韌性.這樣會(huì)導(dǎo)致較大誤差,并且是偏于危險(xiǎn)的[4-5].因此,本文用CTOD 值來反映海工結(jié)構(gòu)厚板的韌度是科學(xué)的.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

試樣主要步驟如下:試驗(yàn)前對(duì)荷載、位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定;放入試樣后確定F-V 曲線斜率;加載、記錄F-V 曲線、卸載;對(duì)實(shí)驗(yàn)后載荷、位移進(jìn)行標(biāo)定;二次疲勞、壓斷試樣;斷口讀數(shù)測(cè)量a0及a;對(duì)數(shù)據(jù)和斷口進(jìn)行有效性檢驗(yàn).試驗(yàn)是在低溫槽中進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為-10 ℃.由于溫度對(duì)材料韌度的影響很大,為了滿足BS7448—1 中試驗(yàn)的保溫要求,試驗(yàn)前將試樣放在保溫槽中保溫26 min 以上,保溫介質(zhì)為無(wú)水酒精.根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)的數(shù)據(jù),按下式計(jì)算CTOD 值.

式中:δ為裂紋尖端張開位移(C TOD);F 為施加的載荷;S 為3 點(diǎn)彎曲試樣的跨度;B 為試樣厚度;W 為試樣寬度;υ為泊松比;E 為彈性模量;a0為原始裂紋長(zhǎng)度;f 為3 點(diǎn)彎曲試樣(a0/W)的函數(shù);V p 為裂紋嘴張開位移的塑性分量;σs 為材料的屈服強(qiáng)度;Z 為刀口厚度.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果和有效性檢驗(yàn)

有效性試樣尺寸和特征CTOD 試樣參數(shù)見表2.

表2 EQ70 高強(qiáng)鋼CTOD 試樣參數(shù)及其CTOD 值(-10℃)

從表2 可以看出,雖然母材為同一種鋼材,但是其韌度值的離散型較大,這和疲勞壽命的離散型有一定的相似,但是具體原因是否是由于材料本身性能因素的影響還需要進(jìn)一步的做對(duì)比性的疲勞試驗(yàn).

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試樣的制備

為了盡量避免鋼材在軋制過程中的不均勻?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響,本文的疲勞試樣是從CTOD 試驗(yàn)壓斷試樣上取得,稱壓斷試樣為母塊,從壓斷試樣上取下的小試樣為子塊.同時(shí)本文考慮到海洋工程用鋼鋼板很厚,從力學(xué)角度來看鋼板處于平面應(yīng)變狀態(tài),在厚度方向同樣存在平面應(yīng)力向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)化的問題,為了客觀的反映海工結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況,本文沒有采用圓棒或者薄板等傳統(tǒng)的疲勞標(biāo)準(zhǔn)試樣,而是將試件在CTOD 試驗(yàn)壓斷試樣的基礎(chǔ)上從截面一分為4 加工成同樣滿足寬厚比(W/B)為2 的的矩形疲勞標(biāo)準(zhǔn)試樣,其尺寸為240 mm ×40 mm ×20 mm.同時(shí),C TOD 編號(hào)和疲勞試樣編號(hào)(均為截面圖)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1 所示,試塊下面的編號(hào)為母塊的編號(hào),截面上的編號(hào)為疲勞試樣的編號(hào).

圖1 疲勞試樣編號(hào)

此次疲勞試驗(yàn)要研究的是同一級(jí)應(yīng)力幅下的不同試樣的橫向壽命的影響因素,由文獻(xiàn)[6]知道影響疲勞壽命的因素很多,例如幾何因素、表面狀況、平均應(yīng)力、溫度等.文獻(xiàn)[7]的研究又進(jìn)一步證明影響疲勞壽命的關(guān)鍵2 個(gè)因素是材料的表面缺陷和材料的自身性能.因此本文在試驗(yàn)滿足幾何因素、平均應(yīng)力、溫度等因素一致條件下,材料的表面因素和材料自身的性能則成為影響實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素,這恰恰也是文獻(xiàn)[7]中影響疲勞性能提到的關(guān)鍵影響因子.鑒于此次疲勞試驗(yàn)的目的是研究材料自身的性能,為了在同一級(jí)應(yīng)力幅下使試件表面也達(dá)到一致的標(biāo)準(zhǔn),本文在取樣和加工時(shí)本文采取了以下的措施.

1)統(tǒng)一規(guī)定圖1 中箭頭所標(biāo)示的面為疲勞實(shí)驗(yàn)的受拉面.因?yàn)榧^所示的面是沒有進(jìn)行二次機(jī)加工的表面,這樣避免機(jī)加工產(chǎn)生的二次殘余應(yīng)力.

2)在對(duì)壓斷試樣進(jìn)行鋸斷、銑、磨等機(jī)加工時(shí)機(jī)器都向一個(gè)方向進(jìn)刀,將機(jī)加工對(duì)試件分散性的影響減為最小.

3)對(duì)于疲勞試驗(yàn)在同一應(yīng)力幅,試驗(yàn)采用的是同樣橫截面位置的試件.因?yàn)橥瑯游恢玫脑嚰贑TOD 試驗(yàn)和二次機(jī)加工時(shí)受力的狀態(tài)是相同的.例如:1 號(hào)、5 號(hào)、9 號(hào)、13 號(hào)、17 號(hào)、21 號(hào)就將做同一個(gè)應(yīng)力級(jí)的疲勞試驗(yàn).

4)試件加工后依次用80 號(hào)、500 號(hào)、800 號(hào)、1000 號(hào)砂紙以及金相砂紙順著長(zhǎng)度方向?qū)υ嚰砻孢M(jìn)行打磨,每種砂紙的打磨次數(shù)不少于200次,從而大大的減少表面因素對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響.

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

疲勞試驗(yàn)是在JXG-200 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成,采用四點(diǎn)彎曲加載.本文參照AS TM E606(04)[8]關(guān)于溫度的要求,試驗(yàn)溫度控制在20 ℃,溫度的允許誤差為±2 ℃.

有研究表明,4 點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)會(huì)受到契型應(yīng)力的影響.根據(jù)T.Zhai 文獻(xiàn)[5]中有限元研究結(jié)果表明當(dāng)上壓頭(主動(dòng)加載的壓頭)的距離a、試樣的寬度W 、試樣的跨距S 滿足a/W ＜1.33,S/a=4.5 的關(guān)系時(shí)可以有效地降低契型應(yīng)力的影響.本文取a=36 mm,S=160 mm 使得a/W =0.9 ＜1.33,S/a=4.44 ≈4.5.

試件的名義應(yīng)力用下式計(jì)算

式中:B 為試件的厚度;P 為施加的載荷.

疲勞試驗(yàn)將測(cè)試3 個(gè)不同應(yīng)力幅時(shí)材料疲勞壽命和韌度的關(guān)系.疲勞荷載為正弦交變荷載,平均值Fm=70 kN,最大動(dòng)荷載分別為ΔF1=55 kN,ΔF2=59 kN,ΔF3=66 kN.各試件對(duì)應(yīng)的應(yīng)力級(jí)如表3 所列.

表3 試件應(yīng)力級(jí)安排

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

疲勞數(shù)據(jù)在下一節(jié)圖表給出,其中21 號(hào)試件在經(jīng)歷2×106次后仍然沒有出現(xiàn)裂紋,則21 號(hào)試塊視為無(wú)效試件.

4 對(duì)比試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

為了便于疲勞壽命的分析,將子塊的平均壽命取對(duì)數(shù)處理.CTOD 值和不同應(yīng)力級(jí)下的對(duì)數(shù)疲勞壽命關(guān)系如表4 ～表6 所列.

表4 55 kN 級(jí)疲勞壽命與韌度值的比較

表5 59 kN 級(jí)疲勞壽命與韌度值的比較

表6 66 kN 級(jí)疲勞壽命與韌度值的比較

現(xiàn)將3 種應(yīng)力幅下的對(duì)數(shù)疲勞壽命和對(duì)應(yīng)母塊的C TOD 值之間的數(shù)據(jù)按照最小二乘法進(jìn)行線性擬合,關(guān)系如圖2 所示.

由圖2 可見,對(duì)數(shù)疲勞壽命和C TOD 值擬合的關(guān)系可以用下面的式子來表示

式中:t 和k 分別為對(duì)數(shù)疲勞壽命和CTOD 值關(guān)系的待定系數(shù).其中:t為韌度和疲勞壽命的敏感系數(shù).將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上述方程求得待定系數(shù),并計(jì)算擬合方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的殘差,數(shù)據(jù)如表7所列.

圖2 對(duì)數(shù)疲勞壽命和CTOD 值的關(guān)系

表7 對(duì)數(shù)疲勞壽命和CTOD 值方程和殘差

從圖2 和表8 可以得出以下幾種規(guī)律:(1)3個(gè)母塊的韌度值的大小排列順序正好和相應(yīng)子塊疲勞壽命的大小排列順序相符合.即韌度越大,則在同一級(jí)載荷幅下疲勞壽命也越長(zhǎng),反之,韌性越小,則在同一級(jí)載荷幅下的疲勞壽命也越短;(2)對(duì)數(shù)疲勞壽命和CTOD 值之間存在一定的關(guān)系,在較高的疲勞應(yīng)力幅下(ΔF3=66 kN),對(duì)數(shù)疲勞壽命和材料的韌度值CTOD 值具有較好的線性,殘差僅為0.0042.在較低應(yīng)力幅下(ΔF1=55 kN和ΔF2=59 kN)兩者呈近似的線性關(guān)系,殘差分別為0.0411 和0.0563.即在疲勞應(yīng)力幅較大的時(shí)候,對(duì)數(shù)疲勞壽命和CTOD 之間的線性相關(guān)度更大;(3)在較高疲勞應(yīng)力幅下擬合方程的敏感系數(shù)t 較大,在較低疲勞應(yīng)力幅下敏感系數(shù)t 較小.這說明在高應(yīng)力幅情況下,疲勞壽命受材料韌性變化的影響更大.

4.2 對(duì)比試驗(yàn)分析

通過以上的數(shù)據(jù)對(duì)比,本文認(rèn)為韌度值和疲勞壽命有這種聯(lián)系是跟裂紋產(chǎn)生的原因有關(guān).圖3 為CTOD 試驗(yàn)示意圖,它反映了在施加靜載過程中裂紋開裂的過程,圖4 為施加疲勞載荷時(shí)疲勞裂紋產(chǎn)生的過程,當(dāng)應(yīng)力振幅不小于材料的疲勞極限時(shí),在經(jīng)過一定循環(huán)周次后,金屬表面部分晶粒中開始出現(xiàn)滑移,隨著循環(huán)次數(shù)的增大,滑移變粗、變寬,部分滑移帶帶會(huì)成為駐留滑移帶(persistent slip band)[9].循環(huán)變形使得試樣表面變得粗糙,形成擠出脊(extrusion)和侵入溝(intrusion)(如圖4 a)).表面顯現(xiàn)的侵入溝處有很強(qiáng)的應(yīng)力集中,使滑移進(jìn)一步加劇,從而向裂紋演化.從微觀上來看,一旦材料表面發(fā)生滑移并形成侵入溝,侵入溝相對(duì)于瞬間完成的一次疲勞加載也可以看作是CTOD 試驗(yàn)施加靜載的過程,而這個(gè)過程從宏觀上來說是材料裂紋產(chǎn)生的過程(如圖4 b)),而滑移帶的形成是在最初幾千周次內(nèi)完成,這相對(duì)于試件的整個(gè)壽命來說只是很小的一個(gè)部分,這就可以解釋為什么在排除其他外界因素的干擾下,僅對(duì)材料的自身性能進(jìn)行研究時(shí),對(duì)數(shù)疲勞壽命和材料的韌性值CTOD 有較好線性關(guān)系,尤其是在疲勞載荷較大的時(shí)候,因?yàn)榇蟮妮d荷可以更好的壓制其他因素對(duì)疲勞壽命的干擾.

圖3 CTOD 示意圖

圖4 疲勞啟裂過程

另外,根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述,對(duì)于短壽命區(qū),即應(yīng)力幅較大的時(shí)候,疲勞壽命是遵循正態(tài)分布的.根據(jù)疲勞壽命和C TOD 值成線性關(guān)系,可以間接的推斷出該種材料的C TOD 值是服從正態(tài)分布的.

5 結(jié) 論

1)CTOD 值和對(duì)數(shù)疲勞壽命值存在一定關(guān)系,韌性越好(CTOD 值越大),其在同級(jí)疲勞載荷下的疲勞壽命也越長(zhǎng).

2)在高應(yīng)力幅的時(shí)候?qū)?shù)疲勞壽命和CTOD 值存在很好的線性關(guān)系,利用這個(gè)關(guān)系可以用少量的試驗(yàn)量就能得到更多的材料參數(shù).

3)C TOD 值不但可以反映材料抵抗裂紋開裂的能力,而且可以反映材料抵抗裂紋產(chǎn)生的能力.

4)海洋工程用高強(qiáng)鋼在同種厚度、同種溫度下的C TOD 值是遵循正態(tài)分布的.

本文試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是同一個(gè)母塊上取得,由于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求很高,CTOD 試驗(yàn)和4 點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的關(guān)系式是在不同溫度和不同厚度的情況下得出,關(guān)于溫度和厚度分別對(duì)兩者關(guān)系的影響不能從關(guān)系式中分離出來,這一點(diǎn)還有待于進(jìn)一步的研究.但是韌性和疲勞性能之間存在關(guān)系是可以確定的,并且這種關(guān)系為以后2 個(gè)值之間的相互參考甚至相互推導(dǎo)提供了試驗(yàn)依據(jù).

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