高超載比超載對Q345鋼的疲勞性能的影響*

孟祥峰，張運來，余啟航

(長安大學，陜西 西安 710064)

0 引 言

疲勞是材料在循環荷載作用下的損傷累積過程，極易導致結構的脆性斷裂，降低結構的安全性和使用壽命[1]。疲勞斷裂是當今工程結構的主要失效形式之一[2]。金屬結構的疲勞失效分為疲勞裂紋的萌生、穩定擴展和失穩擴展三個階段，其中，穩定擴展階段作為金屬結構疲勞壽命的主要控制階段，成為各國學者關注的重點[3]。隨著我國基礎建設投資增加，橋梁的建設重視程度也在增加。具有結構輕盈、承載力高、施工便利等優勢的鋼結構橋梁更是大跨度橋梁的首選形式[4]。在實際運營中，橋梁會受到車流和風力的作用，處于交變的載荷下工作，即橋梁服役時會受到疲勞載荷作用。隨著時間的推移，橋梁結構的薄弱環節容易產生疲勞破壞，危害人身安全，造成經濟損失。在實際工況中橋梁會不可避免的發生超載效應，即在橫幅交變載荷作用時，突然增加的載荷會降低其后來的疲勞裂紋擴展速率。因此有必要研究拉伸超載對Q345鋼疲勞壽命的影響，來準確預估橋梁的剩余疲勞壽命，并且也可以通過人工超載提高橋梁的疲勞壽命。

一般認為，影響材料疲勞壽命超載效應的主要因素是超載引起的殘余壓應力。文獻[5]采用彈塑性有限元方法，對恒幅及不同超載比的單次超載作用下的裂紋擴展進行有限元模擬，證明從殘余應力角度分析裂紋擴展是可行的，為建立基于殘余應力的裂紋擴展模型提供分析基礎。文獻[6]對預應力鋼絲的制造過程進行了有限元數值模擬，分析不同循環加載條件對冷拔珠光體鋼絲殘余應力場的影響。

目前研究大多集中在低超載比超載，因此，筆者通過在萌生裂紋后進行高超載比超載，通過疲勞裂紋擴展試驗，研究高過載比超載對Q345鋼的疲勞性能的影響，并分析其延壽機理。

1 試樣及試驗方法

試驗材料選用厚度為10 mm的Q345鋼，其化學成分如表1所列，將材料制成標準緊湊拉伸(CT)試樣進行疲勞裂紋擴展試驗，試樣如圖1所示。

圖1 CT試樣形狀及尺寸

表1 Q345化學成分表 /%

試驗機器型號為INSTRON 8801型電液伺服疲勞試驗機，試樣的裂紋擴展方向與軋制方向垂直，采用載荷控制方式，其中母材試樣施加幅值為12 kN，應力比為0.025，頻率為10 Hz的正弦波形載荷；超載的試樣施加相同載荷使疲勞裂紋擴展至20 mm處，然后保持施加30 kN靜載荷1 h，最后繼續使用與母材相同的載荷使疲勞裂紋擴展結束。試驗結束后，對a-N曲線和da/dN-ΔK對數曲線進行擬合。

2 實驗結果與分析

母材(PM)以及超載(OL)試樣的裂紋長度、疲勞壽命(a-N)曲線如圖2所示。從圖中可知，超載試樣超載前的a-N曲線與母材重合，壽命基本一致。當施加載荷128 275周次，即裂紋擴展至20 mm時進行載荷為30 kN的超載，超載會引起裂尖鈍化并會產生具有較大殘余應力的塑性區，因此超載試樣疲勞裂紋擴展速率下降，獲得較多的疲勞壽命。母材的疲勞壽命為208 245周次，當超載試樣疲勞壽命達到母材的315.5%，即超載試樣超載后的528 787周次時疲勞裂紋從超載位置擴展了0.76 mm，所以高超載比超載可以有效的提高疲勞壽命。

圖2 母材及超載試樣的a-N曲線

母材以及超載試樣的應力強度因子、裂紋擴展速率da/dN-ΔK對數曲線如圖3所示。拉伸超載有四個顯著現象：裂紋擴展速度在超載后立即開始短加速；裂紋擴展速率急劇下降到最小點；裂紋擴展最小點后逐漸增加；裂紋擴展速率恢復到預超載斜率。從圖中可以看出超載試樣超載前速率與母材一致，超載后疲勞裂紋擴展速率急劇下降，處于常規超載的第二個階段。當超載試樣疲勞壽命達到母材的3倍時，曲線并沒有出現速率逐漸增加恢復至與母材相同的趨勢。也可以說明高超載比超載對裂紋擴展的抑制作用。

圖3 母材及超載試樣的da/dN-ΔK曲線

3 結 論

采用對CT試樣保持拉伸超載的方法，通過疲勞裂紋擴展試驗，研究超載比為2.5時超載對Q345鋼疲勞裂紋擴展速率的影響，分析其改善疲勞性能的機理。主要得出如下結論。

(1) 在疲勞實驗過程中，對試樣進行超載比為2.5的超載，可以有效降低疲勞裂紋擴展速率，抑制裂紋擴展，延長試樣的疲勞壽命。

(2) 較高的超載比超載使試樣引入了殘余壓應力，使得有效應力強度因子降低至應力強度因子門檻值附近，從而降低疲勞裂紋擴展速率。

(3) 將較高超載比的超載應用于鋼結構橋梁等結構，能夠有效延長結構的使用壽命。