（化工过程机械专业论文）恒幅加载下焊接结构钢疲劳裂纹扩展中载荷交互作用的研究.pdf

浙江下业大学硕士学位论文 恒幅加载下焊接结构钢疲劳裂纹扩展中 载荷交互作用的研究 摘要 有关焊接结构钢焊接接头的疲劳问题，已经有了很多的研究。但由于疲劳问题的复 杂性和焊接接头材料的不均匀性，目前的研究还远远不够。焊接接头及母材的各种循环 特性和疲劳行为还没有系统完备的试验数据。本文主要针对q 3 4 5 b 焊接接头以及母材 的疲劳和裂纹扩展进行了试验研究，并用前期新提出的两参量驱动力模型描述疲劳裂纹 扩展行为。为正确评估q 3 4 5 b 焊接接头的疲劳寿命及结构设计提供了试验依据。 本文的主要工作和研究结果如下： ( 1 ) 通过应变循环试验，研究了q 3 4 5 b 母材、焊缝区以及模拟过热区的循环变形 性能。q 3 4 5 b 焊接接头以及母材均具有一定的循环软化特性；循环加载可以增强材料的 强度；q 3 4 5 b 焊缝金属显示出明显的非m a s i n g 特性。 ( 2 ) 通过应交疲劳寿命试验，研究了q 3 4 5 b 母材、焊缝区以及模拟过热区的疲劳 性能。不同轧制方向母材和焊缝金属的疲劳持久极限相近且都比较高，模拟过热区疲劳 持久极限最低。 ( 3 ) 通过c t 试样疲劳裂纹扩展试验，研究了q 3 4 5 b 母材、焊缝区以及模拟过热 区的疲劳裂纹扩展行为。平行轧制方向母材试样裂纹扩展没有应力比效应，在平均应力 较小时，垂直轧制方向母材裂纹扩展表现出一定的应力比效应；母材试样的裂纹扩展没 有明显的厚度效应：轧制方向对母材的裂纹扩展速率影响不大。焊缝金属的裂纹扩展表 现出一定的应力比效应；模拟过热区金属的裂纹扩展表现出比较明显的应力比效应。 ( 4 ) 通过与其他三种模型对比发现，新模型可以更加有效的描述应力比对裂纹扩 展速率的影响。 ( 5 ) 从微观角度解释了疲劳裂纹扩展行为，并从裂纹扩展驱动力变化角度，讨论 了裂纹闭合、裂纹联锁和裂纹分支等现象对裂纹扩展速率影响。 摘要 i i 关键词：焊接接头，疲劳裂纹扩展，应力比，裂纹闭合，裂纹扩展模型，循环变形 浙江工业大学硕七学位论文 l o a di n t e r a c t i o ne f f e c t so n1 1 a l t i g u e c r a c kg r o w t hi ns t r u c t u r es t e e lu n d e r c o n s t a n ta m p l i t u d el o a d i n g a b s t r a c t t h e r eh a v eb e e nm a n yr e s e a r c h e so nt h es 仇l c t u r es t e e lw e l d e dj o i n t s h o w e v e r , t h e c u r r e n ts t u d yi sn o te n o u g hd u et ot h ec o m p l e x i t yo ff a t i g u ea n dt h eh e t e r o g e n e i t yo ft h e w e l d e dj o i n t s i nt h i sp a p e rf a t i g u et e s tw e r ec a r r i e do u tf o rq 3 4 5 bw e l d e dj o i n t a n dt h e f a t i g u ec r a c kg r o w t hb e h a v i o ro fq 3 4 5 bw e l d e dj o i n tw a sd e s c r i b e db yan e wd r i v i n gf o r c e m o d e lw i t ht w o p a r a m e t e r s t h er e s u l to ft h er e s e a r c h e sp r o v i d e sa t e s tb a s i sf o rt h ec o r r e c t a s s e s s m e n to f t h ef a t i g u el i f eo fq 3 4 5 bw e l d e dj o i n ta n dt h es t 九l c t u r a ld e s i g n t h em a i nr e s u l t so fr e s e a r c hw o r k sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s em e t a la n dq 3 4 5 bw e l d e dj o i n ts h o wc y c l es o f t e n i n gp r o p e r t i e sa n dc y c l i c l o a d i n gc a ne n h a n c e t h es t r e n g t ho ft h em a t e r i a l s w e l dm e t a ls h o wc l e a r n o n m a s s i n gf e a t u r e s ( 2 ) t h ef a t i g u ee n d u r a n c el i m i t so ft h eb a s em e t a la n dw e l dm e t a la r es i m i l a r , a n dh i g h e r t h a nt h eo v e r h e a t e dz o n e ( 3 ) t h eb a s em e t a la l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o no nc r a c kp r o p a g a t i o ns h o w sn oe f f e c to f s t r e s sr a t i o ，b u tt h eb a s em e t a la l o n gv e r t i c a lt ot h er o l l i n gd i r e c t i o ns h o w ss o m e e f f e c t so fs t r e s sr a t i oa tl o wa v e r a g es t r e s s t h ew e l dm e t a ls h o w ss o m ee f f e c t so f s t r e s sr a t i oa n do v e r h e a t i n gz o n es h o w so b v i o u se f f e c t so fs t r e s sr a t i o b a s em e t a l0 n c r a c kp r o p a g a t i o ns h o w sn os i g n i f i c a n te f f e c to ft h i c k n e s s r o l l i n gd i r e c t i o nh a sn o s i g n i f i c a n te f f e c tt ot h ec r a c kp r o p a g a t i o n r a t eo f b a s em e t a l ( 4 ) c o m p a r i n gt h eo t h e rt h r e em o d e l s ，t h en e wm o d e lc a nm o r ee f f e c t i v e l yd e s c r i b et h e s t r e s sr a t i oe 疵c to nc r a c kp r o p a g a t i o n ( 5 ) f a t i g u ec r a c kg r o w t hb e h a v i o rf o rt h eb a s e m e t a la n dw e l dz o n ew e r ee x p l a i n e df r o m t h em i c r o s c o p i cp o i n to fv i e w , a n dh o wt h ec r a c kc l o s u r e ，c r a c kb r a n c h i n ga n dc r a c k i i i a b s t r a c t i n t e r l o c k i n gp h e n o m e n aa f f e c to nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ew a sd i s c u s s e di n p e r s p e c t i v eo f t h ev a r i a t i o no fc r a c kp r o p a g a t i o nd r i v i n gf o r c e k e yw o r d s ：w e l d e dj o i n t ，f a t i g u ec r a c kg r o w t h ，s t r e s sr a t i o ，c r a c ko p e n i n g c l o s u r e ，c r a c k p r o p a g a t i o nm o d e l s ，c y c l i cd e f o r m a t i o n w 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 在工程领域中，航天器、发动机、桥梁、管道、铁路、压力容器等各种机械设备和 结构受到周期性载荷作用，易引起工程结构的疲劳失效，进而可能导致灾难性的破坏。 国内外，每年由于结构疲劳，许多机械设备在其有效寿命期内报废而造成的恶性事故时 有出现，造成重大的人员伤亡和财产损失。据我国劳动部统计，我国在8 0 年代发生的 锅炉和压力容器的爆炸事故约5 0 0 0 起，人员累计伤亡近1 0 0 0 0 人。我国锅炉和压力容 器的爆炸事故比工业化国家高近十倍。欧洲每年早期断裂造成的损失达8 0 0 亿欧元，而 美国每年早期断裂造成损失达l1 9 0 亿美元。据统计，由于结构部件失效导致的重大事 故中有8 5 - 9 0 是由疲劳断裂引起的。疲劳破坏是机械设备及结构部件最常见的失效形 式。 正是由于事故的多发性，材料和结构的疲劳破坏的研究已经引起了广泛的重视，研 究材料和结构的疲劳失效机理和疲劳裂纹扩展规律及影响因素，对保障机械设备和结构 在设计使用寿命内的安全运行，具有重大的工程实用价值和社会经济意义。 疲劳破坏是指材料或结构在交变载荷重复作用下，发生破坏的现象。疲劳主要分为 两个阶段，裂纹萌生阶段和疲劳裂纹扩展阶段。焊接是众多重大结构的连接方式，焊接 结构在航空航天、交通运输、能源动力，石油化工等重大机械工程领域中得到广泛应用。 焊接过程具有加热温度高、加热快、冷却快、温度梯度大的工艺特点，使得焊接区金属 材料组织产生变化，从而引起材料力学性能的不均匀性，因而对焊接接头的疲劳特性的 研究是很有必要鲥1 1 。研究焊接结构是为了考察焊接接头在循环加载下的力学性能、抗 疲劳启裂和扩展能力，为实际工程中焊接结构的疲劳失效及疲劳寿命预测提供试验数据 依据。q 3 4 5 是我国工业中常用的低合金钢，目前国内的一些学者对q 3 4 5 焊接接头的疲 劳特性已经做过一些研究，但这些研究大多集中于试验研究，且并不充足，针对焊接接 头各个区域的循环力学性能的研究和疲劳裂纹扩展行为的研究还比较缺乏。 针对上述情况，本文以q 3 4 5 b 焊接接头为研究对象，进行恒幅加载条件下的疲劳 和裂纹扩展试验，获得q 3 4 5 b 焊接接头的疲劳力学性能数据以及疲劳裂纹扩展试验数 第1 章绪论 捃，研究焊接接头特征区域的疲劳和裂纹扩展行为。为正确评价焊接接头的疲劳失效研 究焊接接头特征区域的疲劳和裂纹扩展行为。 1 2 q 3 4 5 焊接接头疲劳的研究现状 q 3 4 5 是一种低合金钢，由于其良好的综合力学性能，塑性和焊接性而广泛应用于建 筑结构、桥梁工程、车辆制造、船舶、压力容器等，q 3 4 5 钢是包含对以前老牌号1 2 m n v 和1 6 m n 等多个钢种的替代。参考文献中大多使用的老牌号。 目前已有一些学者已经对q 3 4 5 钢焊接接头的疲劳性能进行了研究。可是由于焊接接 头区域材料的性能非常复杂，截至目前大多数学者的研究仍多集中于试验研究。 陈旭【2 】对手弧焊、c 0 2 气体保护焊和m 气体保护焊3 种焊接方式的1 6 m n r 钢焊接接头 进行了低周疲劳试验比较，表明焊材比母材有较大的强化，3 种方法的低周疲劳寿命没 有明显的差异。对不含缺陷结构，程光旭【3 】对1 6 m n r 焊接接头的熔合区以及焊缝区的低 周疲劳特性进行了试验研究，得到了焊接接头和焊缝金属的单轴应力应变曲线、循环应 力应变曲线、m a s i n g 特性曲线及应变寿命曲线等结果。杜俊烈4 】对1 6 m n r 钢母材和焊接 接头的循环特性和疲劳寿命做了对比，指出焊接接头的疲劳寿命低于母材，且裂纹多出 现在熔合区。g o n g 5 】等通过高应变低循环疲劳试验模拟强地震状况以及利用e l e c 仃o n 光谱 绘制显微照片研究了1 6 m n r 的疲劳性能。杨训6 】等针对1 6 m n r 钢焊接头概率循环应变寿 命模型作了综合分析，利用不同试验条件下的试验数据，提出了合理的材料与结构概率 设计分析曲线。还有一些学剖7 ，8 1 对1 6 m n r 焊接接头进行了可靠性分析并提出了疲劳失 效概率模型。李金泉【9 j o 通过从微观角度对1 6 m n 焊件的疲劳裂纹萌生与扩展机理的研究， 发现1 6 m n 钢焊接接头处疲劳裂纹的萌生与扩展一般在铁素体内，并存在一定程度的择 优取向，焊缝中的夹杂物对疲劳裂纹的萌生有重要影响。 但是到目前为止，对q 3 4 5 焊接接头疲劳性能的研究并不多，针对焊接接头各个区 域的疲劳性能和裂纹扩展行为的试验数据还不完备，所以对于焊接接头的疲劳行为仍有 待进一步深入的研究。 1 3 疲劳裂纹扩展行为研究现状 影响疲劳裂纹扩展行为的主要因素有：应力比、加载幅度、变幅加载历史以及试样 的几何尺寸以及它们之间的交互作用等。疲劳裂纹扩展中载荷交互作用包括恒幅加载、 2 浙江工业大学硕士学位论文 变幅加载及随机加载几种不同情况。本文所研究的恒幅加载下的载荷交互作用，其实质 指应力比效应。国内外很多研究者研究了不同应力比对金属材料疲劳裂纹扩展速率的影 响。 e w a l d s 等【l l 】针对结构钢b s 4 3 6 0 和硬铝合金2 0 2 4 t 3 在室温下进行了不同应力比条 件的疲劳裂纹扩展实验，采用p a r i s 公式描述疲劳裂纹扩展行为。试验结果表明：对于 结构钢b s 4 3 6 0 ，应力比尺对疲劳裂纹扩展速率影响不明显，只有当r = 0 8 5 时，疲劳裂 纹扩展速率才有明显的提升；但对硬铝合金2 0 2 4 t 3 ，应力比对疲劳裂纹扩展速率影响 非常明显，且随着应力比从0 5 逐步增加到r = 0 3 3 ，疲劳裂纹扩展速率增长了3 “倍。 c o s t a 等【1 2 】针对不同应力比下三种不同厚度c k 4 5 钢c t 试样进行了恒幅加载疲劳裂纹 扩展试验，研究了应力比和试样厚度对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明，裂纹扩展 速率随着试样厚度和应力比的增加而增大。k u m a r 等【l3 采用2 6 m m 厚度的中碳钢单边 缺口试样进行了疲劳裂纹扩展的试验研究，发现保持最大载荷为常数时，随着应力比的 增大，裂纹扩展速率下降。s u n d e r 等【】4 】针对三种不同应力比下不同厚度的铝合金构件进 行了恒幅加载疲劳裂纹扩展试验，发现应力比效应不明显。w a n g 掣1 5 】通过对试样厚度 为3 8 m mc t 试样的疲劳裂纹扩展速率的研究，发现应力比对1 6 m n r 钢的裂纹扩展速 率几乎没有影响。文献 1 6 - 1 9 1 通过对3 0 4 不锈钢、7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金、a l 6 x n 不锈钢和 1 0 7 0 钢试样的疲劳裂纹扩展速率的研究，发现随着应力比的增加，裂纹扩展速率有明显 增大。 尽管许多研究者针对多种材料进行了裂纹扩展试验研究，但是针对焊接接头各个特 征区的疲劳裂纹扩展的研究还不多见。 1 4 疲劳裂纹扩展预测模型的研究现状 近年来，国内外研究者对疲劳裂纹扩展预测模型进行了大量的试验与理论研究，提 出了许多疲劳裂纹扩展模型。大部分研究均是采用断裂力学参量作为驱动力来描述疲劳 裂纹扩展行为。 1 4 1 传统的疲劳裂纹扩展模型 1 9 6 3 年，p a r i s f 2 0 1 提出了疲劳裂纹扩展速率的指数幂定律，或称为p a r i s 公式：妇d n = c 陋幻m 。p a r i s 公式是最简单也是使用最早最广泛的疲劳裂纹扩展模型，它以单一参量 第1 章绪论 应力强度因子幅a k ( = k m 戤i 。) 作为裂纹扩展驱动力来表达裂纹扩展速率。 疲劳裂纹扩展一般由疲劳裂纹扩展速率d a d n 表征，即在循环载荷作用下，裂纹长 度a 随循环次数的变化率，反映裂纹扩展的快慢。疲劳裂纹扩展速率d a d n 的控制参 量是应力强度因子幅度a k ，d a d n - a k 曲线描述了疲劳裂纹扩展性能，与洲曲线、洲 曲线一样，都表示材料的疲劳性能。疲劳裂纹扩展一般可分为三个阶段：近门槛值低速 率区、稳定扩展时的中速率区和接近临界应力强度因子时的快速扩展区。但是，人们发 现p a r i s 公式不能统计应力比效应和变幅加载历史，它仅适用于疲劳裂纹稳定扩展阶段。 其后，又有科学家f o 姗a n 【2 l 】，w a l k e r t 2 2 1 等人发展t p a r i s 公式，提出了适用范围和条 件更广的疲劳裂纹扩展速率表达式，并对影响疲劳裂纹扩展速率的因素，以及影响p a r i s 公式中的指数和系数的因素，都作了一些研究。 f o r m a n 公式：d 口d n = c ( m o ( 1 - r ) 圈。当点，m 瓤趋近于比尺下的变幅时，上式 的分母会趋于零，所以裂纹扩展速率快速增加，符合第三阶段数据点的变化趋势。虽然 反映了应力比r 对疲劳裂纹扩展的影响，但该公式只适用于r o 的情况。w a l k e r 公式： d a d n = c ( 1 - r ) m 戕】n 。不过该模型同样只适用于疲劳裂纹稳定扩展阶段。 针对变幅加载下的疲劳裂纹扩展问题，除材料本身特性似外，载荷间的相互作用， 如过载迟滞效应、负载加速效应也强烈地影响着裂纹扩展速率。人们通过大量研究，提 出了几种变幅加载下计算裂纹扩展速率模型。w h e e l e r 认为过载峰使裂纹尖端形成大的 塑性区，后续循环所产生的循环塑性区如果未能超出超载塑性区的界限，则将导致裂纹 扩展产生迟滞效应。基于这样的理解，提出了吼e e l e r 丰莫型2 3 1 。w h e e l e r j f 奠型：妇d n = c d i c ( a h 3 m ，c p i 为停滞效应的延缓参量取值为o l 。 1 4 2 裂纹闭合模型 关于载荷交互作用的机制，众多学者采用裂纹闭合效应来解释，包括塑性变形导致 的裂纹闭合、新张开裂尖金属表面发生氧化、裂纹面粗糙程度导致裂纹表面提早接触等 机理。这些多种多样的闭合机理中，e l b e r 提出的塑性诱发裂纹闭合机制是目前受到广泛 承认的一种机理，常被用来解释金属材料的应力比效应。 1 9 7 1 年，e l b e d 2 4 1 发现了裂纹闭合效应。他指出，即使在一定水平的拉伸载荷作用 下，疲劳裂纹也有可能保持闭合状态，只有外载高于张开应力时裂纹才能继续扩展。 e l b e r 模型假设低于开口载荷的任何加载都不会引起损伤。于是，在裂纹扩展驱动力模 型计算中增加了第二个因子一开口应力强度因子。e l b e r 是第一个直接从试验测得的 4 浙江丁业大学硕十学位论文 柔度曲线上确定开口载荷尸o p 的人。他同时引入了有效应力强度因子幅，庐。x 戈p 。 e l b e r 模型：出d = c ( a k e f o “，其中；和分别对应于最大加载p 眦x 和p 卵的应力 强度冈子。 2 0 世纪7 0 年代后期以来，许多研究者从裂纹闭合的角度研究了多种因素对疲劳裂纹 扩展的影响，取得了丰富的研究成果。k u m a r 等【2 5 】综述了恒幅加载下疲劳裂纹闭合效应 的研究，一部分研究者认为裂纹闭合程度仅与应力比有关，随着应力比增加而增大；另 一部分研究者认为裂纹闭合程度与应力比和a k 或k 麟有关，随着应力比增加而增大，但 裂纹闭合程度与蜮驭之间没有确定的对应关系，有时随着厨懈的增加而增大，有时 随着k 眦的增加而减小。m e g g i o l a r o 等【2 6 】认为厚度和载荷交互作用对疲劳裂纹扩展影响 主要由裂纹闭合机理引起，忽略裂纹闭合的影响，在平面应变条件下容易得到偏于危险 的结论，然而，裂纹闭合不能解释平面应变条件的过载延迟行为。j i a n g 等 2 刀研究了裂纹 闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响，发现基于传统裂纹闭合概念的当量在物理上不能反映 裂纹前沿附近材料的循环塑性行为。当裂纹闭合时，循环塑性仍然存在并且不能忽略疲 劳累积损伤，因此高估了裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响。k u j a w s k i 2 8 1 ，d o n a l d 和 p a r i s 2 9 指出，使用传统裂纹闭合模型不能解释应力比效应在近门槛区对疲劳裂纹扩展 的影响。因为在近门槛区，与塑性诱发闭合相比，主要是氧化物诱发闭合和表面粗糙度 诱发闭合起支配作用。在得出这个观察结果后，d o n a l d 等【2 9 】提出了一种经验法，利用裂 纹尾迹( c w o 模型评估a k e f r ( = k - k 洲i ) 。其中k 赢对应裂纹尾迹接触时的应力强度因子， 觑于应于远端加载的应力强度因子。另外，p a r i s 3 0 】和d o n a l d 3 1 1 等提出了“局部裂纹闭合效 应”的概念，并建立了相应的表达式刖巳f 磊，m 。；水晶吒fk 嗽2 兀氐。他们认为疲劳损伤 发生在柔度法测量的开口载荷p o o 以下的领域内，裂纹表面的闭合或干扰仅仅是局部地屏 蔽来自循环载荷作用下损伤的裂纹尖端。k h j a w s k i 3 2 , 3 3 】发现高估了裂纹闭合对疲劳裂纹 扩展的影响，引入了小于1 的系数，并与张开应力相乘，发展了部分裂纹闭合的概念。 1 4 3 两参量驱动力模型 s a d a n a n d a 和v a s u d e v a n t z a , 3 5 1 认为裂纹闭合对损伤过程带来的影响非常小，对损伤起 作用的地方是裂纹尖端的“过程区”。d o n a l d 和p a r i s 3 1 1 针对铝合金在应力比0 1 和0 7 条 件下的试验结果分析表明，疲劳裂纹扩展速率不完全取决于刖r ( e f r ，还与k 眦有关。另 一方面，目前为止还缺乏能够真实反应裂纹扩展行为的闭合测量方法。鉴于这些问题， 一些研究者用两参量a k 和弧剥( 娲峨a p p l 为应用最大应力强度因子) 描述裂纹扩展 第1 章绪论 行为。最早提出两参量驱动力模型的是w a l t e r e 2 2 】，其疲劳裂纹扩展公式为 d a d n = c k 眠蜊。叩p ( 为应用应力强度因子范围，c 、p 为材料常数) 。 s a d a n a n d a 等1 3 6 - 3 8 1 采用了双参数驱动力参量脚如瞰的统一方法，描述了从裂纹启 裂、缺口裂纹扩展、稳态裂纹扩展到最终失效整个过程的疲劳裂纹扩展速率，分析了疲 劳裂纹扩展的多种影响因素，尤其是应力比对疲劳裂纹扩展的影响；并且从材料疲劳裂 纹扩展机制出发，建立双参数驱动力的裂纹扩展轨迹图。最近，k u j a w s k i 等【2 8 】提出了一 种受应力比影响的新疲劳裂纹驱动力参量a k * = ( k m a x a k + ) 仉5 ( a 矿为应力强度因子范围的 拉伸部分) ，来描述裂纹扩展速率，这个参量很好地描述了多种材料在不同应力比下的 裂纹扩展速率；并且验证了这个参量比裂纹闭合方法的参量战f 描述应力比影响时更加 有效。j i a n g 等t 3 9 舯】采用- j k u j a w s k i 的两参量法，很好地描述了应力比对疲劳裂纹扩展速 率的影响。 尽管现在的一些两参量驱动力模型可以解释应力比r 对疲劳裂纹扩展行为的影响， 但是它们只适用于高应力比条件，而且不能解释加载历史中压缩部分对疲劳裂纹扩展的 作用，还有两参量模型是完全经验性的【4 。 n o r o o z i 等 4 2 , 4 3 基于裂纹前沿附近局部弹塑性应力应变和s w t 疲劳损伤参量，提出 了能够很好地修正实际弹塑性裂纹前沿应力应变场的双参数疲劳裂纹预测模型；n o r o o z i 指出，应力强度因子和裂纹尖端应力应变场的相关性往往受到囚重复塑性变形产生的残 余应力的改变，并基于裂纹尖端应力应变的解析和疲劳损伤累积的估计预测了疲劳裂纹 扩展。在应力比r a p p l 0 5 情况下，裂纹尖端距离和裂纹尖端应力场只依赖于应用应力强 度因子；在应力比r 卵p l o 5 情况下，在最小载荷水平下会产生压缩残余应力。以此提出 总应力强度因子( 蝎m ，如双。姒) ( 为总应力强度因子范围，雠为总的最大应力强 度因子) 代替应用应力强度因子( l ，a x 卿1 ) 统计局部应力应变对疲劳裂纹扩展的影 响。该模型准确预测了由循环加载引起的平均应力和残余应力的影响，并且采用了在常 幅加载和单个过载的7 0 7 5 t 6 铝合金以及4 3 4 0 钢的疲劳裂纹扩展试验数据来验证该模型 的有效性。 但是，目前为止，仍没有形成合理描述各种疲劳裂纹扩展行为的统一模型。 6 浙江t 业大学硕士学位论文 1 4 4 裂纹开口载荷的确定方法 疲劳裂纹闭合现象的发现，开辟了疲劳裂纹扩展规律研究的重要方向。尽管裂纹闭 合模型已被广泛应用，但确定其开闭口载荷的方法很多也必然导致a k a r 结果的差异。 因此准确地估计张开、闭合载荷是研究疲劳裂纹闭合规律的基础。 确定其开闭口载荷的方法包括试验技术和数值方法。开口载荷p 叩常采用诸如 a s t m 2 偏差法、曲线拟合法等整体柔度测量技术( 应变片贴在远离裂纹尖端的地方) 获得的【棚。而闭口载荷r l 常用n i s i t a n i 等【4 5 】提出的卸载弹性柔度法确定。这里对开口 载荷常用确定方法做了一些总结。 q o d i s p l a c e m e n t 图1 - 1 原理图 1 在加载位移曲线的上部，偏离线性的那一加载点即为，如图1 1 ； 2 1 偏移斜率法，如图1 1 ； 3 a s t m 2 偏差法；a s t m 标准e 6 4 7 3 明推荐使用2 柔度补偿法。不过这种方 法是基于数值微分法，使得噪音在试验数据分析时的影响成为主要问题，尤其是在阀值 附近； 4 t t l 法：两切线对应于加载位移曲线的上部和下部的线性部分，两切线的交点 即为p o d ，如图l - 2 ； 因为研究人员不得不用肉眼观察来决定，所以方法1 有很大的主观性。方法3 对于切线拟合时分段尺寸的选取上也有一定主观性。 第1 章绪论 室 一 图1 2 曲线拟合法 5 曲线拟合法 y i s h e n g 【4 7 】提出了p l 法：相当于裂纹完全闭合时的加载位移曲线的上部拟合成一 条直线，剩余的试验数据拟合成一条抛物线，直线和抛物线之间的转折点定义为p o d 。 这个转折点通过非线性回归分析法确定。另外，在转折点处曲线及其一阶导数必须是连 续的。 k u j a w s k i 和s t o y c h e v 4 4 】提出了一种叫做直线抛物线直线( l p l ) 的线性拟合的方 法。加载位移曲线的上部和下部分别对应于裂纹完全闭合和完全张开状态，均被拟合 成直线，曲线剩余的非线性的部分对应于部分张开裂纹被拟合成一条抛物线，如图1 2 所示。在抛物线与直线之间的两个转折点均是变化的直到获得试验数据的最大相关凶子。 然而k u j a w s k i 4 8 1 和s h i h 等【4 9 1 的研究表明，依据整体柔度技术测定开闭口载荷的结 果比实际开口水平低，而且从非线性过渡到线性的柔度梯度变化不能反映裂纹表面接触 导致的裂纹尖端屏蔽。 最近，t o y a s a d a 和n i w a 5 0 1 采用局部柔度法( 应变片贴在裂纹尖端附近) ，详细考察 了一个加载循环中柔度变化与裂纹开闭口和弹塑性行为的关系，以此提出了再拉伸塑性 域形成载荷p r p g 的概念，并建立了d a d n = c ( h k r e 6 ) m ( 其中，a k r e g = k m 瓠舔p g ) 。并且， t o y a s a d a 等【5 l 】还提出了将得到的裂纹尖端附近的迟滞回线反转1 8 0 。与原图形重合确定 开闭口等特征载荷的方法。尽管该方法具有明确的物理意义，但其测量开闭口载荷的方 法仍不可避免地存在主观性。 k u j a w s k i 和s t o y c h e v 删基于对柔度数据的积分提出了一种确定开口载荷的新方 法，叫做q 法。由于数值积分法的稳定和应用方便，使得开口载荷值的分散大大降低。 8 浙江t 业大学硕士学位论文 平均来说，用数值积分法获得的裂纹开口载荷值为a s t m 法获得的值的2 r e 。 1 5 研究内容 本文以q 3 4 5 b 焊接接头为研究对象，进行不同加载条件下的疲劳和裂纹扩展试验， 获得q 3 4 5 b 焊接接头的疲劳力学性能数据以及疲劳裂纹扩展试验数据。研究各种载荷条 件下焊接接头特征区域的疲劳裂纹扩展行为。并用前期新提出的两参量驱动力模型描述 疲劳裂纹扩展行为。为正确评估焊接接头的疲劳寿命及结构设计提供了试验和理论依据。 本研究第一部分为疲劳和裂纹扩展的试验研究。采用圆棒试样，对焊接接头特征区 ( 母材区、焊缝区和模拟过热区) 进行静态拉伸和应变控制下的疲劳性能实验，获得焊 接接头材料的基本力学性能参数。采用紧凑拉伸c t 试样，缺口分别开在焊接接头母材 区、焊缝区和模拟过热区，在不同平均应力的横幅载荷条件下，针对不同厚度的q 3 4 5 b 焊接接头特征区域进行疲劳裂纹扩展试验，获得疲劳裂纹扩展速率曲线。 第二部分主要针对q 3 4 5 b 焊接接头不同特征区的疲劳扩展试验结果，从宏观角度对 比分析不同应力比和不同厚度下的疲劳裂纹扩展行为。采用文献中三种疲劳寿命预测模 型和新提出的模型对疲劳实验数据分别进行拟合，对比评价四种模型在描述疲劳裂纹扩 展行为的有效性。 第三部分从微观角度判明疲劳裂纹在母材、焊缝、模拟热影响区中的扩展机理，并 从裂纹扩展驱动力变化的角度，讨论裂纹闭合、裂纹联锁和裂纹分支等现象对裂纹扩展 速率的影响。 9 第2 章q 3 4 5 r 焊接接头疲劳试验方法 第2 章q 3 4 5 b 焊接接头疲劳试验方法 2 1 试验设备 本文所有试验均在浙江工业大学机械工程学院实验室岛津e h f e d 2 5 0 多功能疲劳 试验机上进行，见图2 1 。该试验机最大量程为2 5 0 k n ，可产生正弦波、三角波、方波、 梯形波等控制波形。该实验机能进行载荷控制、应变控制、位移控制和应变速率控制等 不同的试验。本文中裂纹扩展试验采用载荷控制方式，而单轴拉伸、循环性能和疲劳寿 命试验均采用应变控制方法。该机可以进行常温和高温条件下的拉伸试验、材料的断裂 韧性测定、材料的疲劳寿命测定以及疲劳裂纹扩展速率的测定。试验时由配套的载荷传 感器和位移传感器采集数据，配有日本岛津公司2 0 0 4 年最新的2 0 6 b 版控制软件，可 全程控制试验过程并整理试验结果。试验由计算机自动控制，自动采数，采集点数根据 具体试验来定。图2 1 ( a ) 和( b ) 分别为疲劳试验和裂纹扩展试验的工作状态。 ( a ) 疲劳试验( b ) 裂纹扩展试验 图2 1多功能疲劳试验机 2 2 试验材料与试样 试验所用焊接接头为q 3 4 5 b 钢商用板材，采用两块长1 2 m ，宽0 1 5 m ，厚3 0 m m 的板材对焊而成，其焊接和焊后热处理的焊接工艺细则如表2 - 1 。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 为了研究焊接接头过热区的疲劳性能，将部分原材料q 3 4 5 b 加热至1 2 0 0 。c ，然后 6 0 0 。c 回火处理，制作成焊接过热区模拟材料。 本试验中采用材料q 3 4 5 b ，其化学成分见表2 - 2 ，力学性能见表2 3 。 表2 - 1q 3 4 5 b 板材焊接工艺细则 表2 - 2 q 3 4 5 b 钢的化学成分( w t ) 成分cm ns ispf e q 3 4 5 b o 1 71 3 30 40 0 1 6 o 0 3 余鼍 表2 - 3q 3 4 5 b 钢的力学性能 本文对不同轧制方向母材、焊缝金属和模拟过热区金属进行了各种力学性能的试验 研究，包括单轴拉伸试验、恒应变循环性能试验、应变疲劳寿命试验和疲劳裂纹扩展试 验。按照g b t2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法 5 2 1 、g b t1 5 2 4 8 9 4 金属材料 轴向等幅低循环疲劳【5 3 】和g b t6 3 9 8 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法【剐分别 制作试验中所用试样，包括标准圆棒试样和两种厚度的标准c t 试样。各试样的取样位 置见图2 2 、2 3 ，图中各编号对应试样见表2 _ 4 。圆棒试样和c t 试样具体尺寸见图2 4 、 2 5 和2 - 6 ，圆棒试样3 采用图2 - 4 中设计尺寸，圆棒试样l 、2 、4 均采用图2 5 中设计 尺寸。图2 7 为平行轧制方向母材圆棒试样实物图，即图2 2 中试样l 。图2 - 8 为母材区 不同厚度的c t 试样实物图。 第2 章q 3 4 5 r 焊接接头疲劳试验方法 1 2 图2 - 2 母材和焊缝圆棒和c t 试样取样图 图2 3 模拟过热区圆棒和c t 试样取样图 表2 4 本文试验所用试样类型 浙江工业大学硕士学位论文 图2 _ 4 纯焊缝金属圆棒试样尺寸 图2 - 5 模拟过热区金属圆棒试样尺寸 图2 - 6c t 试样设计尺寸 其余弓 越 l 1 一 一i j1 一 一 上 一 t 1 - l 渺 1 吨 。 旧 1 一 3 8 土0 1 1 3 第2 章q 3 4 5 r 焊接接头疲劳试验方法 图2 7 平行轧制方向母材圆棒试样实物照片 图2 8 不同厚度母材区c t 试样实物图片 2 3 试验方法 2 3 1 单轴拉伸试验 单轴拉伸试验是一种最基本，最常用的材料力学性能研究方法。本文应用位移控制 方法拉伸试样直至断裂，根据试验记录的载荷及试样变形数据可以获得材料的基本力学 性能参数：弹性模量e 、屈服强度吣抗拉强度纯、断面收缩率妒和断后伸长率4 等力 学参数。 单轴拉伸试验是指对材料施加单一方向的载荷以测量材料在单轴应力状态下变形 特性和抗破坏性能，为材料受静态载荷时的应力和变形状态分析提供基础参数。圆棒试 样受到两端逐渐升高的单轴拉伸位移载荷，实时载荷信号由试验机夹头的载荷传感器经 放大后传至控制电脑记录，同时夹头的位移传感信号也传至控制电脑实时记录。 本试验所采用的应力为工程应力，不考虑试验过程中截面收缩对应力计算的影响， 仃：一f ( 2 1 ) a o 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 其中，f 为载荷传感器实时记录的载荷值，彳d 为圆棒标距段原始横截而积。应变测 量采用引伸计标定法。首先将引伸计夹持在试样的标距段，并测出标距段长度易，对试 样在弹性范围内施加一个载荷，可以由引伸计测到标距段变形量，并同时得到试验机 夹头的位移变化量厶，在弹性范围内二者的关系为线性，即， 七：一a i ( 2 2 ) k 为比例系数，为常数。在单轴试验中，可由得到的试验机夹头的位移数据厶换算 得到标距段的变形量，则试样中部标距段工程应变为， s ：丝( 2 3 ) 由此可得到工程应力对工程应变的材料单轴拉伸曲线，根据曲线弹性阶段的斜率确 定材料的弹性模量e ，并得到试样发生屈服平台首次下降前的最高应力，即上屈服强度， 和屈服期间的最低值，即下屈服极限，以及最大应力值，即抗拉极限。 材料的断面收缩率为， ：生生( 2 - 4 ) 炉广 材料的断后伸长率为， 彳：l n - l o( 2 5 ) 厶 其中，彳为断后伸长率，厶为标定距离，上。为断后距离。本文中采用的标距为1 2 m m ， 即断后伸长率可以表示为么1 2 。 针对不同部位的不同材料进行了单轴拉伸试验，试样编号及尺寸如表2 5 所列。 表2 5 单轴拉伸试样编号及尺寸 1 5 第2 章q 3 4 5 r 焊接接头疲劳试验方法 续表2 5 单轴拉伸试样编号及尺寸 2 3 2 恒应变循环试验 恒应变幅下单轴拉压循环疲劳试验的主要目的是，考察材料在单轴不同幅度循环载 荷作用下的应力应变循环特性并测定疲劳力学性能参数。 试验开始前，试样的夹持和引伸计的标定同单轴拉伸试验，循环试验时在试样上施 加单轴对称位移载荷，试验机控制波形为正弦波。 根据r a m b e r g - o s g o o d 关系， 仃 a s ( 2 6 ) 仃o - s 并通过数值计算软件m a t l a b 中的非多项式拟合方法，拟合确定材料的硬化系数k ，和 硬化指数n m o 提取各试样半寿命时的一个滞回线，并将不同试样的滞回线的应力应变最低点移至 相同位置可以确定材料是否具有m a s i n g 特性。 材料的应变疲劳寿命试验的主要目的是，考察材料在单轴恒幅循环载荷作用下的抗 疲劳破坏性能。疲劳寿命试验和循环性能试验是同时进行的，共用不同取材方式的四组 圆棒试样( 见表2 - 6 2 9 ) 。当循环特性试验进行直至试样断裂或出现宏观裂纹，记下材 料破坏时的载荷循环数作为疲劳寿命，作出a c 2 一n f 曲线，根据m a n s o n - c o f f m 模型， ( 等飞) v f = c 协7 ， 利用m a t l a b 的非多项式拟合方法拟合模型中的参数以确定应变载荷和寿命之间关系。 1 6 ，一蜀 ， 盯一k ，。_ 盯矿盯矿 浙江工业大学硕士学位论文 式2 - 6 中，等为应变幅，岛为疲劳持久极限，是材料固有常数，n ，为疲劳寿命， 二 1 ，、c 为材料常数。 垂直轧制方向母材应变循环试验和应变疲劳寿命试验共进行了8 件试样，母材平行 轧制方向应变循环试验和应变疲劳寿命试验共进行了1 1 件试样，具体试验条件见表2 - 6 、 2 7 。焊缝金属和模拟过热区金属应变循环性能试验和应变疲劳+ 寿命试验分别共用了1 2 件和1 0 件试样，具体试验条件见表2 8 、2 - 9 。 表2 6 垂直轧制方向母材循环性能和疲劳寿命试验条件 表2 7 母材平行轧制方向循环性能和疲劳寿命试验条件 1 7 第2 章q 3 4 5 r 焊接接头疲劳试验方法 表2 8 模拟过热区金属循环性能和疲劳寿命试验条件 表2 - 9 焊缝金属应变循环性能和疲劳寿命试验条件 2 3 3 疲劳裂纹扩展试验 材料的疲劳裂纹扩展试验主要是为了考察材料在循环载荷条件下的抗疲劳裂纹扩 展能力。本文按取材部位不同分为母材试件、焊缝金属试件以及模拟过热区金属试件。 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 试验开始前测量试样的基本尺寸，装上试验机后在试验缺口处夹持位移引伸计，然 后在试样加载孔施加确定应力比的常幅正弦波循环载荷。试验中整个裂纹扩展过程采用 柔度法采集并记录数据。柔度法是一种利用裂纹张开位移计算应力强度因子和裂纹扩展 长度的方法，其计算公式为 a = w ( c o + c i 木u + c 2 木u 24 - c 3 木u 3 + c 4 幸u 4 + c 5 木u 5 ) ( 2 8 ) 其中， u ：乍!( 2 9 ) l + f 木e 幸 根据裂纹张开位移计算裂纹尖端应力强度因子的公式为 k ：盟坠丛里! ：里! 三：窆：坚二! !( 2 - l o ) ( 1 - x ) 2 3 其中， x ：旦 ( 2 1 1 ) w 公式中a 为裂纹扩展长度，形为试样标准尺寸，t 为试样厚度，e 为弹性模量，为泊松 比，k 为应力强度因子，p 为施加载荷，c ，和d ，为常数，具体取值见表2 1 0 。 表2 1 0 裂纹长度和应力强度因子的柔度法计算常数 试验结束后用双对数坐标表示裂纹扩展速率d a d n 与必的关系，采用最小二乘法 七点拟合得到符合p a r i s 模型的曲线。利用i g o r 软件画出d a d n a k 关系图来分析实验数 据。 疲劳裂纹扩展试验共进行了不同轧制方向不同厚度母材试件2 2 件( 未包含重复试 样) ，2 件焊缝金属试件，以及6 件模拟过热区金属试件，具体试验条件见表2 1 l 。 1 9 第2 章q 3 4 5 r 焊接接头疲劳试验方法 表2 - 1l c t 试样疲劳裂纹扩展试验条件 试样编号 材料t ( m m ) r 取材方向 a p z ( k n ) p i 。( k n ) f a o双) w p d 3 - l - 1 母材 3 7 4 0 1 平行轧制 1 5 3 3 3 361 2 2 82 5 w p d 3 - 2 - 1 母材 3 8 0 3 平行轧制 1 5 4 2