非標(biāo)準(zhǔn)箱型試件焊縫處疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究

尚金瑞

摘 要：針對(duì)港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的受力方式及裂紋特性和國(guó)內(nèi)甚少研究Q345B鋼材質(zhì)焊縫處疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的現(xiàn)狀，制作了Q345B的非標(biāo)準(zhǔn)箱型試件，并在焊縫處預(yù)制初始裂紋，將試件置于MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，所獲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于Q345B焊縫處裂紋疲勞擴(kuò)展參數(shù)的確定，填補(bǔ)了我國(guó)在這一研究領(lǐng)域的空白。

關(guān)鍵詞：非標(biāo)準(zhǔn)箱型試件 焊縫裂紋 疲勞擴(kuò)展 實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)是研究裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及獲取材料疲勞擴(kuò)展參數(shù)和斷裂參量的重要途徑。長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)對(duì)港口起重機(jī)常用鋼材Q235和Q345B的疲勞擴(kuò)展特性進(jìn)行了深入研究，這些研究一般均是針對(duì)Q235和Q345B母材的疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行探討，當(dāng)裂紋出現(xiàn)在焊縫處或近焊縫區(qū)域時(shí)，傳統(tǒng)上也以母材的疲勞特性參數(shù)對(duì)裂紋的安全性和疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。然而，由于焊條和母材的熔融，焊縫區(qū)域的材質(zhì)已經(jīng)與單獨(dú)的母材有所區(qū)別，僅僅用母材的疲勞擴(kuò)展參量代替焊縫區(qū)域的疲勞特性是不夠準(zhǔn)確的，因此，有必要對(duì)焊縫區(qū)域裂紋的疲勞擴(kuò)展規(guī)律開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，以獲得更為準(zhǔn)確的疲勞擴(kuò)展參量。

從圖上可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展可分為以下三個(gè)階段：區(qū)域Ⅰ：裂紋萌生階段；區(qū)域Ⅱ：裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段；區(qū)域Ⅲ：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

斷裂力學(xué)中用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行描述，常用的疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式有Paris冪函數(shù)式、Forman公式、Walker公式等，其中Paris冪函數(shù)式表達(dá)式如下：

由于港口起重機(jī)帶裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要取決于其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展壽命，因此疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的疲勞特性。上述3個(gè)公式均可以描述第Ⅱ區(qū)域的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，但由于Forman公式和Walker公式中某些參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，因此選用應(yīng)用最為廣泛的Paris冪函數(shù)式進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的研究。

實(shí)驗(yàn)步驟

將試件置于MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整兩端支座位置，使試件處于水平狀態(tài)，并保證載荷施加位置通過(guò)兩個(gè)支座中心距的中線；同時(shí)，試件長(zhǎng)度方向應(yīng)與兩個(gè)支座的連線方向平行。

疲勞預(yù)制裂紋尖端。取應(yīng)力比R=0.1，頻率f=12HZ，對(duì)機(jī)加工后的裂紋進(jìn)行銳化處理。實(shí)驗(yàn)載荷采用正弦波形式的恒幅載荷，以屈服應(yīng)力估算試件加載處的許用載荷[P]，初始的預(yù)加載荷峰值可選取（1/4～1/3）[P]。疲勞預(yù)制裂紋過(guò)程中，可逐級(jí)下降實(shí)驗(yàn)載荷峰值，每一級(jí)下降不超過(guò)20%，待觀測(cè)到裂紋可以穩(wěn)定擴(kuò)展之后，停止下降載荷。一段時(shí)間后，若觀察到裂紋已經(jīng)向前擴(kuò)展，且出現(xiàn)尖角時(shí)，停止疲勞預(yù)制裂紋，測(cè)量此時(shí)的裂紋長(zhǎng)度a0，并將其作為裂紋擴(kuò)展的初始長(zhǎng)度。

在計(jì)算機(jī)上設(shè)置控制參數(shù)，開(kāi)始疲勞擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。保持應(yīng)力比R和頻率f不變，以疲勞預(yù)制裂紋最后一級(jí)的恒幅載荷作為疲勞裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)載荷，開(kāi)始加載實(shí)驗(yàn)。

測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N0。在裂紋位置滴加墨水，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)觀察到墨水印痕有明顯延伸現(xiàn)象時(shí)，表明裂紋已出現(xiàn)擴(kuò)展，此時(shí)測(cè)量并記錄a和N0值。由于裂紋前緣深度（沿下翼板厚度方向）較小，可認(rèn)為裂紋前緣各點(diǎn)沿深度方向的坐標(biāo)是一致的，為測(cè)量方便，以表面裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度作為所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

重復(fù)上述步驟，記錄多組裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

當(dāng)裂紋尖端快到達(dá)下翼板邊緣或試件出現(xiàn)疲勞破壞時(shí)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裂紋位置位于角焊縫處的兩個(gè)試件均未發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，由此說(shuō)明承受拉彎作用的箱型結(jié)構(gòu)角焊縫處的裂紋是偏安全的。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)觀察到在對(duì)接焊縫處預(yù)制裂紋的試件會(huì)發(fā)生逐步擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展方向沿著焊縫方向，形成比較明顯的I型裂紋。

本次分別對(duì)兩個(gè)含有對(duì)接焊縫裂紋的試件（1#和2#）進(jìn)行了疲勞擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于外界環(huán)境的干擾，會(huì)產(chǎn)生個(gè)別誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，有兩個(gè)點(diǎn)均偏離其它點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此，在進(jìn)行線性擬合時(shí)應(yīng)去除。利用數(shù)值分析工具對(duì)去除大誤差點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可分別獲得一個(gè)線性回歸方程。

通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的線性擬合，可以分別得到1#、2#試件數(shù)據(jù)的回歸方程：

（作者單位：日照港集團(tuán)嵐山港務(wù)有限公司）endprint