非標準箱型試件焊縫處疲勞裂紋擴展實驗研究

尚金瑞

摘 要：針對港口起重機金屬結構的受力方式及裂紋特性和國內甚少研究Q345B鋼材質焊縫處疲勞裂紋擴展規律的現狀，制作了Q345B的非標準箱型試件，并在焊縫處預制初始裂紋，將試件置于MTS810材料試驗機上開展疲勞裂紋擴展實驗，所獲實驗數據可用于Q345B焊縫處裂紋疲勞擴展參數的確定，填補了我國在這一研究領域的空白。

關鍵詞：非標準箱型試件 焊縫裂紋 疲勞擴展 實驗 數據

實驗目的

疲勞裂紋擴展實驗是研究裂紋擴展規律以及獲取材料疲勞擴展參數和斷裂參量的重要途徑。長期以來，許多學者通過疲勞裂紋擴展實驗對港口起重機常用鋼材Q235和Q345B的疲勞擴展特性進行了深入研究，這些研究一般均是針對Q235和Q345B母材的疲勞裂紋擴展特性進行探討，當裂紋出現在焊縫處或近焊縫區域時，傳統上也以母材的疲勞特性參數對裂紋的安全性和疲勞壽命進行評估。然而，由于焊條和母材的熔融，焊縫區域的材質已經與單獨的母材有所區別，僅僅用母材的疲勞擴展參量代替焊縫區域的疲勞特性是不夠準確的，因此，有必要對焊縫區域裂紋的疲勞擴展規律開展實驗研究，以獲得更為準確的疲勞擴展參量。

從圖上可以看出，疲勞裂紋擴展可分為以下三個階段：區域Ⅰ：裂紋萌生階段；區域Ⅱ：裂紋穩態擴展階段；區域Ⅲ：裂紋失穩擴展階段。

斷裂力學中用經驗公式對裂紋擴展特性進行描述，常用的疲勞裂紋擴展速率公式有Paris冪函數式、Forman公式、Walker公式等，其中Paris冪函數式表達式如下：

由于港口起重機帶裂紋結構的疲勞壽命主要取決于其穩態擴展壽命，因此疲勞裂紋擴展實驗重點研究裂紋穩態擴展階段的疲勞特性。上述3個公式均可以描述第Ⅱ區域的裂紋擴展規律，但由于Forman公式和Walker公式中某些參數難以準確獲取，因此選用應用最為廣泛的Paris冪函數式進行疲勞裂紋擴展實驗的研究。

實驗步驟

將試件置于MTS810材料試驗機上，調整兩端支座位置，使試件處于水平狀態，并保證載荷施加位置通過兩個支座中心距的中線；同時，試件長度方向應與兩個支座的連線方向平行。

疲勞預制裂紋尖端。取應力比R=0.1，頻率f=12HZ，對機加工后的裂紋進行銳化處理。實驗載荷采用正弦波形式的恒幅載荷，以屈服應力估算試件加載處的許用載荷[P]，初始的預加載荷峰值可選取（1/4～1/3）[P]。疲勞預制裂紋過程中，可逐級下降實驗載荷峰值，每一級下降不超過20%，待觀測到裂紋可以穩定擴展之后，停止下降載荷。一段時間后，若觀察到裂紋已經向前擴展，且出現尖角時，停止疲勞預制裂紋，測量此時的裂紋長度a0，并將其作為裂紋擴展的初始長度。

在計算機上設置控制參數，開始疲勞擴展實驗。保持應力比R和頻率f不變，以疲勞預制裂紋最后一級的恒幅載荷作為疲勞裂紋擴展的實驗載荷，開始加載實驗。

測量裂紋擴展長度a及對應的應力循環次數N0。在裂紋位置滴加墨水，實驗過程中當觀察到墨水印痕有明顯延伸現象時，表明裂紋已出現擴展，此時測量并記錄a和N0值。由于裂紋前緣深度（沿下翼板厚度方向）較小，可認為裂紋前緣各點沿深度方向的坐標是一致的，為測量方便，以表面裂紋的擴展長度作為所測實驗數據。

重復上述步驟，記錄多組裂紋擴展長度和應力循環次數。

當裂紋尖端快到達下翼板邊緣或試件出現疲勞破壞時，結束實驗。

實驗現象及數據處理

在實驗過程中，裂紋位置位于角焊縫處的兩個試件均未發現有明顯的裂紋擴展現象，由此說明承受拉彎作用的箱型結構角焊縫處的裂紋是偏安全的。

同時，實驗觀察到在對接焊縫處預制裂紋的試件會發生逐步擴展，且裂紋擴展方向沿著焊縫方向，形成比較明顯的I型裂紋。

本次分別對兩個含有對接焊縫裂紋的試件（1#和2#）進行了疲勞擴展實驗。

實驗過程中，由于外界環境的干擾，會產生個別誤差較大的數據點，有兩個點均偏離其它點較遠，因此，在進行線性擬合時應去除。利用數值分析工具對去除大誤差點之后的數據進行線性擬合，可分別獲得一個線性回歸方程。

通過對樣本數據的線性擬合，可以分別得到1#、2#試件數據的回歸方程：

（作者單位：日照港集團嵐山港務有限公司）endprint