（化学工程专业论文）16mnr及其焊接接头棘轮效应与疲劳性能研究.pdf

中文摘要 本文对1 6 m n r 进行了一系列单轴拉伸试验和循环加载试验。通过比较单轴 拉伸应力一应变曲线和不同循环应变幅下的应力一应变关系可以发现，1 6 m n r 在循环载荷的作用下会发生明显的应变强化现象。 本文还对1 6 m n r 在常温下的单轴棘轮特性进行了试验研究，试验分别对应 力幅、平均应力以及加载历史对棘轮效应的影响做了分析，结果表明应力幅越大， 平均应力越高，1 6 m n r 棘轮应变率就相应越大，同时加载历史对棘轮应变的影 响也很大。 此外，本文重点考察了应变控制条件下1 6 m n r 母材及焊接接头的低周疲劳 特性。由试验结果可知，在整个疲劳试验过程中材料会发生持续的载荷下降现象。 利用c o f f i n m a n s o n 公式对1 6 m n r 的疲劳寿命进行了预测。通过比较应变控制 的疲劳试验和相同应变幅下的棘轮试验发现，循环累积的塑性变形会加速损伤的 累积，极大的缩减1 6 m n r 的疲劳寿命。 关键词： 1 6 m n r ，焊接接头，棘轮，低周疲劳 a b s t r a c t as e r i e so fu n i a x i a lt e n s i l et e s t sa n du n i a x i a lc y c l i ct e s t sw e r ec o n d u c t e do n 16 m n rs t e e l c o m p a r i s o n so ft h eu n i a x i a lt e n s i l es t r e s ss t r a i nc u r v ea n ds t r e s s s t r a i n h y s t e r e s i sl o o pu n d e rd i f f e r e n tc y c l i cs t r a i na m p l i t u d es h o wt h a ta no b v i o u s l ys t r a i n h a r d e n i n ge f f e c to c c u r sw h e n16 m n r s t e e li ss u b j e c t e dt oc y c l i cl o a d i n g u n i a x i a lr a t c h e t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f16 m n ra tr o o mt e m p e r a t u r ew e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y t h ee f f e c t so fs t r e s sa m p l i t u d e ，m e a l ) s t r e s s ，a n dl o a d i n gh i s t o r yo i l t h em t c h e t i n gb e h a v i o ro f16 m n rw e r ea n a l y z e d , r e s p e c t i v e l y i tc a nb ec o n c l u d e d t h a tt h er a t c h e t i n gs t r a i na m p l i t u d ea n dr a t c h e t i n gs t r a i nr a t eo f16 m n rs t e e li n c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gs t r e s sa m p l i t u d eo rm e a ns t r e s sc o r r e s p o n d i n g l y a tt h em e a n t i m e ，t h e l o a d i n gh i s t o r ya n dl o a d i n gs e q u e n c ew e r ef o u n dh a v i n gs i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo n r a t c h e t i n gs t r a i n i na d d i t i o n , t h el o wc y c l ef a t i g u eb e h a v i o ro f16 m n rs t e e la n di t sw e l dj o i n t s w e r ea l s oi n v e s t i g a t e du n d e rs t r a i nc o n t r o l l e du n i a x i a ll o a d i n g ac o n t i n u o u sl o a d d r o pw a so b s e r v e dd u r i n gt h et e s t af a t i g u ec r i t e r i o no fc o f f i n m a n s o nf o r m u l aw a s a d a p t e dh e r et op r e d i c tt h ef a t i g u el i f eo f16 m n rs t e e l c o m p a r i n gs t r a i nc o n t r o l l e d f a t i g u et e s ta n dt h er a t c h e t i n gt e s tw i t ht h es a m es t r a i na m p l i t u d e ，i tc a nb ec o n c l u d e d t h a tt h ec y c l i ca c c u m u l a t i o no fp l a s t i cs t r a i nw i l la c c e l e r a t ed a m a g ea c c u m u l a t i o na n d s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ef a t i g u el i f eo f16 m n rs t e e l k e yw o r d s ：16 m n r ，w e l dj o i n t s ，r a t c h e t i n g ，l o wc y c l ef a t i g u e 主要符号说明 主要符号说明 应力幅 平均应力 棘轮应力 棘轮应变 循环次数 一个循环周期中的最大应变 一个循环周期中的最小应变 夕l j u 载荷 试件的原始横截面积 试件的原始长度 试件的瞬时长度 抗拉强度 屈服强度 伸长率 断面收缩率 材料弹性模最 应变幅 疲劳强度系数 疲劳延性系数 疲劳强度指数性系数 疲劳延性指数 训 q 占 p 厶乇厶吒6 y e竺2町b c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：如i 靛七， 签字r 期： 如7 年艿月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：本上j 釜击， 别磁名下 签字日期：2 0 哆年驴月占。日签字日期：矽7 年g 月同 第一章文献综述 1 11 6 m n r 材料简介 第一章文献综述 1 6 m n r 作为一种压力容器常用钢，在国内应用广泛，常用于塔器、换热器、 加氢装置等。一般压力容器用的是热轧钢。 1 6 m n r 钢具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能和低温冲击韧性， 时效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能优良( 厚度在3 0 m m 以下时，焊前一般不预 热，焊后可不热处理) ，中温( 4 5 0 。c ) 及低温( 4 0 。c 以上) 机械性能均优于q 2 3 5 、1 5 # 、 3 0 # 碳素钢，质量稳定。1 6 m n r 钢缺口敏感性较碳钢大，当有缺口存在时，疲劳 强度比q 2 3 5 低，且易产生裂纹，在加工时应引起注意。1 6 m n r 钢适用于机车车 辆、起重设备、矿山机械、电机、锅炉、石油、化工、造船、桥梁等行业及其他 低温地区工程机械的焊接结构件，其特点是可以节约钢材，减轻结构重量。适用 于制作中、常温及中、低压容器的受压元件，也可用于制作在腐蚀性气体、液体 下工作的各种结构件。 最近a s m e 锅炉及压力容器规范公布案侈i j 2 5 0 6 ，正式采纳我国国家标准 g b 6 6 5 4 1 9 9 6 压力容器用钢板中的1 6 m n r 钢可用于制造a s m e 规范第v i i i 卷 第1 册的压力容器。这对1 6 m n r 在国外的应用取得了良好开端。 1 2 材料疲劳性能的研究 疲劳是材料在循环载荷作用下发生破坏的现象。在现代工程的各个方面，如 汽车、飞机、轮船、机车车辆、工程机械、石油钻井设备、铁路桥梁、核反应堆 和发电设备等，其主要零件和构件，大多在循环变化的载荷作用下工作，疲劳是 其主要的失效形式。据统计，各种运动构件的破坏9 0 是由疲劳引起的，并且引 起疲劳失效的循环载荷峰值往往小于由静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。 无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不会发生明显的宏观 塑性变形。断裂通常是突然发生的，事先没有任何先兆，往往导致灾难性的事故。 鉴于这方面的原因，材料疲劳研究的重要性受到广大科学工作者的重视。从1 8 3 9 年法国巴黎大学教授p o n c e l e 首先使用“金属疲劳”的概念至今，有关材料的疲 劳研究己有一百多年的历史，材料疲劳已逐步成为- - fj 重要的学科，深入到现代 科学技术的各个领域，涉及诸如材料科学、机械设计、力学、金属物理、应用数 学等众多学科。 第一章文献综述 1 2 1 材料疲劳破坏形式与分类 材料发生疲劳破坏的形式多种多样，它包括受循环载荷作用造成的机械疲 劳，高温条件下受循环载荷作用发牛的蠕变疲劳，交变载荷与温度联合作用发生 的热机械疲劳，在腐蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加交变载荷时产生的腐 蚀疲劳，载荷的反复作用与材料之间的滚动接触相结合产生的滚动接触疲劳，脉 动应力与表面问来回相对运动和磨擦滑动共同作用产生的疲劳等。 疲劳按受力方式不同，可分为弯曲疲劳、拉压疲劳、扭转疲劳和复合载荷疲 劳。按照载荷与时间的关系确定与否，可分为定常疲劳( 载荷与时间有确定的函 数关系) 和随机疲劳( 随机载荷作用下的疲劳) 。目前的研究工作比较多的是按照破 坏前材料所经历的载荷循环周次来划分疲劳的形式： 低周疲劳：破坏循环次数低于1 0 5 的疲劳，又称低循环疲劳。其特点是作 用于构件的应力水平较高，材料处于塑性状态，应力和应变呈非线性关系。表征 材料低周疲劳性能的有应变寿命曲线和循环应力应变曲线，试验过程都 是采用应变幅控制，故低周疲劳又称应变疲劳。 高周疲劳：破坏循环次数在1 0 5 以上的疲劳，又称高循环疲劳。其特点是 作用于构件的应力水平低于材料的屈服强度，材料处于宏观弹性变形状态，应力 和应变呈线性关系，表征材料高周疲劳性能的是应力寿命曲线( 简称s n 曲 线) 。高周疲劳受应力幅控制，故又称应力疲劳。因高周疲劳是各种机械中最常 见的，故又简称疲劳。 超高周疲劳：传统疲劳研究，受试验条件和试验设备载荷频率的限制，高 周疲劳研究范围常限于1 0 7 以内。随着现代工程技术的发展，各种动力机械的构 件在服役期实际承受的疲劳循环次数己远高于1 07 周。因此有关材料在1 07 周次 以上超长寿命下的疲劳行为研究开始引起人们的重视，为此将循环破坏发生在 1 0 5 1 0 7 周次范围内的疲劳称为高周疲劳，而将循环破坏次数在1 07 周以上的疲 劳称为超高周疲劳。在超高周疲劳范同内，循环应力幅远低于材料的屈服强度。 传统疲劳研究认为材料在1 0 7 周次附近存在一个疲劳极限，构件载荷应力幅低于 该疲劳极限，材料寿命无限长。 1 2 21 6 m n r 疲劳寿命研究概述 由于1 6 m n r 钢具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能，该材料在 压力容器及铁路转向架焊接构件等领域得到了广泛的应用，国内外许多学者对 1 6 m n r 钢进行了疲劳性能研究 1 - 5 j 。 陈旭等6 】对手弧焊、c 0 2 气体保护和a r 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，研究表明焊接接头比母材有较大的强化， 第章文献综述 3 种方法的低周疲劳寿命没有明显的差异。 杨冰等【7 】对1 6 m n r 钢焊接头概率循环应变寿命模型进行了分析。综合利用 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。模型 用概率三参数幂指数模型表征，同时考虑了试验数据分散性和样本量对概率评价 的影响，包含了存活概率曲线、置信度曲线和两者融合曲线，可为工程实践提供 广泛的选择性。作为比较，相应给出了1 6 m n r 钢母材的各曲线参量，得到了 1 6 m n r 钢标准光滑圆棒和漏斗形试样母材、焊缝、熔合区、热影响区及c 0 2 焊 接头、a r 焊接头和手工焊接头在三角波加载模式、对称循环条件下的试验数据。 通过对试验数据进行比较，结果表明母材试样数据明显偏高，而其它试样数据的 分散性较大，相互交错，难分彼此。由此可见1 6 m n r 钢母材抵抗疲劳失效能力 高于焊接接头。两者宜分开处理：焊接接头及其局部区域抵抗疲劳失效能力的随 机性明显，但彼此差异不大，工程实践中可不区分局部性的影响。 于琴等【8 】采用动态冲击试验，研究1 6 m n r 焊接接头在高速冲击加载条件下 的断裂韧性，并分析了其影响因素以及断口形貌。试验结果表明：随冲击速度增 大，焊接接头的冲击韧性明显下降；在动态冲击载荷作用下，试样的断裂以脆性 断裂为主，焊接接头整体趋向于硬脆。对承受动态冲击载荷的焊接接头进行安全 设计时，应特别重视焊接接头的冲击韧性。 段权【9 】通过研究压力容器用1 6 m n r 钢焊接接头疲劳裂纹扩展规律，发现微 观组织的不均匀性将导致焊接接头在力学上具有不均匀性，疲劳裂纹萌牛和扩展 寿命的随机性很大。采用可靠性分析方法，研究了焊接接头疲劳失效概率模型。 g o n gr i o 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 t r o n 光 谱绘制显微照片研究普通压力容器用钢1 6 m n r 的疲劳性能。h o n g 】等进行了等 幅负荷下1 6 m n r 疲劳裂纹增长的统计分析，得到了疲劳裂纹增长步骤地统计数 据。由实验数据知，在已知累计载荷循环数或载荷循环数分布时，就可以确定裂 纹的大小。 范志超 1 2 - 1 4 】等通过1 6 m n r 钢在中温环境范围内应力控制模式下的低周疲劳 试验，研究了环境温度对1 6 m n r 钢疲劳性能的影响以及3 0 0 、4 2 0 时材料的 循环响应研究表明：材料在3 0 0 左右存在“蓝脆”现象，疲劳强度明显高于 其它温度：在同一温度下，随着平均应力和应力幅度的升高，材料的循环蠕变速 率增大；在3 0 0 、4 2 0 两种温度环境下材料表现出循环相关硬化和m a s i n g 特 性；a s m e 低周疲劳设计曲线适于1 6 m n r 钢3 0 0 时的疲劳设计，但不适于4 2 0 时的疲劳设计。 在低周疲劳研究方面，陈凌【l5 】等从反映物系运动的熵守恒定律和能量守恒 定律出发，推导出一个新的低周疲劳寿命预测能量模型；徐鹏1 1 6 等也通过实验 导出了一种新损伤变量下的损伤本构方程和裂纹扩展速率公式；杨冰l l7 j 等从改 第一章文献综述 进门槛区与p a r i s 区拟合效果和进一步利用试验信息的角度，对p a r i s 公式进行了 修正合理地延拓裂纹扩展率曲线到快速扩展区，进而得到能够反映材料在不同 区域裂纹扩展规律的完整疲劳裂纹扩展率曲线；洪延姬【1 8 】等研究了给定裂纹尺 寸条件下疲劳寿命的分布规律，给定寿命条件下裂纹尺寸的分布规律，给定裂纹 尺寸下疲劳裂纹扩展速率的分布规律，为1 6 m n r 钢疲劳可靠性评估提供基础数 据，这些研究内容也都各有其特点。 b u r b a c h 【1 9 】曾从物理学的角度探讨了循环载荷作用下，材料的“疲劳状态” 是否存在的问题后指出，所有疲劳损伤累积理论都明确或隐含地认为，疲劳状态 可以用单一参量来描述，尽管这样的假设既没有得到一般性证明，也没有热力学 依据。b u r b a c h 认为，只用一个参量来完全表征疲劳状态是不可能的，不可能找 到一个简单、精确的数学表达式来描述疲劳损伤。 1 3 棘轮效应 棘轮应变或棘轮效应( r a t c h e t t i n g ) 是指金属材料或结构承受一个一次载荷并 叠加循环载荷时所产生的渐进变形，是在应力控制循环加载下二次变形的累积 【2 0 】。棘轮应变的积累可能导致疲劳寿命的减少，或超过变形的限制而使结构不 能正常工作。由于一次载荷大小的不同，应变经过一个快速初始棘轮应变累积后， 将可能出现安定或渐进棘轮效应两种情况。根据应力状态的不同，棘轮效应可分 为单轴棘轮效应和多轴棘轮效应 2 u 。单轴棘轮效应是指在平均应力方向上产牛 的循环塑性应变累积，应力应变滞环的不封闭性是产生单轴棘轮效应的直接原 因；多轴棘轮效应是指材料在承受多轴载荷作用下产生的棘轮效应，产生棘轮效 应的方向可以是一个方向，也可能是多个方向，这不仅和平均应力有关，也和加 载的路径有关 2 2 1 。 棘轮效应是工程实际中需要考虑的一个重要问题，如：化工容器及管道的热 棘轮，核反应堆的防震设计，轮轨接触疲劳、紧固连接和密封技术等工程问题。 建立在核设计规范基础上的压力容器强度设计均要求棘轮效应分析，如美国 a s m ec o d es e c t i o ni i i ，德国规范k t a 和法国规范r c c - m r 。 近2 0 年来，随着先进试验设备的出现( 新型m t s ，i n s t r o n 等) ，国外许多 学者己对棘轮效应进行了大量的研究( 如：c h a b o c h e 等 2 3 洲，h a s s a n 等【2 5 2 6 1 ) ， 单轴和多轴棘轮效应的预测取得了较大的进展。棘轮效应可分为单轴棘轮效应和 多轴棘轮效应。单轴棘轮效应是指在平均应力方向上产生的循环塑性应变的累 积，应力应变滞环曲线的不封闭性是产生单轴棘轮效应的直接原因嵋7 1 。 c h a b o c h e 等 2 3 】对室温下3 1 6 l 不锈钢的研究表明：应力幅不变时，给定循 环次数下的棘轮应变与平均应力之间具有非线性关系。并且，经历了较大平均应 第一章文献综述 力加载循环后，后继较小平均应力( 应力幅不变) 循环加载时会出现负向的棘轮 率，即先前较大平均应力循环下的累积塑性应变被削减。当应力幅较大而平均应 力较小时，棘轮应变经过衰减阶段后会很快产生棘轮安定。保持应力幅不变而增 加平均应力，相同循环次数时衰减阶段的棘轮应变值将增加；当平均应力增加到 一定程度并进一步提高时，棘轮的安定状态被改变，棘轮应变率开始趋于定值， 并且这个恒定的棘轮应变率随着平均应力的增加而增大。 c h a b o c h e 和n o u a i l h a s 【2 4 j 通过对单轴棘轮的大量试验与理论研究，将各种加 载条件下发牛的棘轮效应分为两类：准反复条件( q u a s i r e v e r s a lc o n d i t i o n ) ，即平 均应力与应力幅值相比要小得多；准重复条件( q u a s i r e p e a t e dc o n d i t i o n ) ，平均应 力相对较大，材料在卸载时未进入塑性，在这种情况下材料由于粘性( 即蠕变) 而 发生非弹性变形。率无关经典塑性理论通常不考虑蠕变的影响，结合这类模型所 进行的试验大都属于c h a b o c h e 和n o u a i l h a s 所界定的第一类棘轮变形。 h a s s a n 等1 2 5 对c s l 0 2 0 钢和c s l 0 2 6 钢进行的单轴棘轮试验表明：应力幅不 变时，增加平均应力将导致棘轮应变率提高，材料的棘轮应变率经过初始的衰减 阶段后表现为恒定的常数，平均应力为负值时棘轮应变率也为负值，并且棘轮应 变率的绝对值经过初始循环阶段的衰减后仍然表现为常数。应力幅的增加也将导 致棘轮应变率的增加。 随后，h a s s a n 和k y r i a k i d e s 【2 6 】对循环强化和循环软化材料的棘轮效应进行 了研究，发现循环强化使棘轮效应减小，而循环软化使棘轮效应增大。 j i a n g 等【2 8 】首次对多载荷步1 0 7 0 钢的棘轮效应进行了试验研究，指出1 0 7 0 钢具有很强的记忆效应，加载历史对材料后续棘轮效应产生很大的影响。虽然单 步棘轮应变方向与平均应力方向一致，但这一结论对于多步加载并不成立。在应 力幅值不变的条件下，当材料先受到较大的平均应力作用，将平均应力减到很小 做后续的试验，会发现棘轮应变沿与平均应力相反的方向增长。可以认为，h a s s a n 等，h a s s a n 和k y r i a k i d e s ，j i a n g 等所进行的试验都属于c h a b o c h e 和n o u a i l h a s 所定义的准反复条件，材料的棘轮应变都是伴随循环塑性应变发牛的。 1 4 本文主要工作及研究意义 1 4 1 本文主要工作 通过实验，本文进行以下工作： 1 ) 对试件1 6 m n r 母材、焊接接头进行单轴循环加载以及拉伸试验，得到材料基 本性能数据。 2 ) 通过实验，考察母材棘轮特性。 第一章文献综述 3 ) 对1 6 m n r 母材及焊接接头进行应变控制的低周疲劳试验，得到应变寿命 曲线，为建立寿命预测模型提供基础。 1 4 2 本文研究意义 1 6 m n r 钢广泛应用于石化行业。2 0 世纪6 0 年代以来，我国压力容器事故中 有近一半是由于疲劳破坏导致的，且其中大多数都是低周疲劳破坏。实际生产中， 多用焊接来连接钢材，处于工作状态的焊点将受到剪切、拉伸、热疲劳循环和蠕 变等作用，研究它的焊接接头的棘轮变形行为和疲劳性能对化工生产安全有着重 要的意义。研究它的力学性能对焊点的可靠性评估具有重要的意义。为此，本文 研究1 6 m n r 钢及其焊接接头的力学性能、棘轮效应和疲劳性能，建立1 6 m n r 及其焊接接头的低周疲劳寿命曲线，为压力容器常用钢的合理、安全使用和设计 提供依据。 第章试验设备和试验方法 2 1 实验设备 第二章试验设备和试验方法 2 1 1电液伺服多轴疲劳实验机 本文的试验都是在l e 仃y 电液伺服多轴疲劳实验机上进行的，见图2 1 。该 试验机结构简单，控制部分采用高精度测量放大电路和数据采集系统。试验机最 大量程1 0 0 k n ，可产生的控制波形有正弦波、三角波、方波、梯形波、块波、 正斜波和负斜波。控制方式有载荷控制、位移控制和应变控制三种。棘轮、循环 试验一般采用载荷控制方式，拉伸试验一般采用位移控制方式，低周疲劳试验采 用应变控制或位移控制方式。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。为减少数据采集量，疲劳实验采集前2 0 0 循环数据后，对后续循 环进行问隔采集。 实验机的正常工作环境为： 1 ) 环境温度1 0 3 0 ，相对湿度不超过8 5 ； 2 ) 环境要求无震动、无明显的电磁干扰； 3 1 三相交流3 8 0 v 、5 0 h z 电源，电压波动范围不超过1 0 ； 4 ) 除尘、周围环境无腐蚀介质； 5 ) 附近有每分钟不少于3 0 升的水源： 6 ) 必须有良好的专用接地系统，阻值 当5 5 0 0 i - - 5 0 0 0 4 5 0 0 2 1 2 3 引伸计的影响因素 1 0 0 0 0o5 0 01 0 0 01 5 0 0 s h o wv a l u e ( u r n ) 图2 - 4引伸计标定 对引伸计精度影响主要有：1 ) 安装时是否偏心、皮筋安装时位置和放大电路 存在温飘。一般试验要求安装时引伸计伸展方向要和试件轴向一致，如果偏心就 会使实际应变比控制应变大，而导致寿命偏低；2 ) 皮筋安装的位置：由于试验用 皮筋较粗，裂纹产生的位置如果刚好在皮筋处，则可能导致裂纹发展时引起皮筋 移动，从而影响引伸计变化，导致应变控制失败；3 ) 放大电路的影响，由于应变 引伸计的输出电压较低，只有几毫伏，直接输入控制器则可测量的范围就很小， 所以要通过一个放大电路使电压达到4 伏左右，相应地应变控制的范围可以达到 5 + 5 ，但由于放大电路的元件存在温漂，随着环境温度及元器件工作时耗 散功率的影响，每次试验时标定系数都会出现偏移，需要重新标定。为定量分析 试验误差，试验结束后要再次标定引伸计，确定标定系数的变化量。 电子引伸计的应变测量误差来自于本身性能参数、安装状态、刀口钝化、试 验机同轴度、试样安装倾斜和偏离加载线、机器震动、试样夹紧时附加载荷和标 距外屈服的影响等等。对不同的影响因素，应采取相应的对策，减少应变测量误 差，提高测试的准确度。 2 2试件 1 6 m n r 钢的化学成分和常规机械性能见下表。 表2 21 6 m n r 钢的化学成分 第二章试验设备和试验方法 表2 3 1 6 m n r 常规机械性能 加工试件时t 采用的原材料是在工中常用的1 6 m n r 钢板用切害4 后的两 块板材焊接得到焊接原料，然后再通过机械加工将其制成如图2 - 5 所示的形挑和 尺寸。焊接由天津石化机械制造安装工程公司完成，按照g b t 8 1 1 0 - 9 5 标准，采 用的是c 0 2 气体保护焊，焊接形式详图见图2 - 6 。焊接材料：h 0 8 m r d s i 使用 对接焊- 焊接规范为：焊接电流1 0 0 2 1 0 a ；焊接电压2 3 2 4 v ；对焊道用钢丝 刷等将试件表面的熔渣、铁锈、飞溅及焊条烟雾的沉积物清除干净。通过对焊缝 断面的宏观分析，焊缝之间、焊缝与母材闸呈圆滑过渡焊缝表面波纹细密。经 过拉力试验、弯曲试验和冲击试验，材料加工性能良好，无损检验合格。 ( a ) 设计试样 ( 埘己加工试件 幽2 5试件r 寸 第章试验设薪和试验方法 2 3 试验流程 图2 6焊接彤式详图 “) 旨先打开循环冷却水泵t 开肩试验压缩机； ( 2 ) 打开实验程序 试验机具有多轴载荷控制功能在程序中显示有轴向疲劳试验和压力容器疲 劳试验。由于是单轴低周疲劳试验，仅使用轴向疲劳试验功能，它有三个控制通 道：负荷、应变和位移。 司面面 竺专嵩嵩；l | 1 鬲面函了_ l i r r ， m 玉羔嚣嚣毒。1 点鲁等l 墨y 一“一一r ? ? 。一9 一_ 。 i l n 矗l 盈l l ! 墼堕卧怒二二 ：= 聋+ 傅曩誊i r善i耋1了 ；尹忖j ，兰【h 一鼍芒要l 审霹 ，：二二 i f j z | ；】| 图2 7试验主程序界面 r 3 ) 夹持试件 ( 4 ) 保护参数设置 试验中引伸计的测量范围有限，需要在试验中设定保护防止试件断裂时破 第一章试验设符和试验方法 坏引伸计：负荷较高，需要设定其上下限，防止试件压缩刚负荷过大，对试骑 机造成破坏。必要叫，对位移也要设定保护。 图2 8保护参数设定 ( 5 ) 实验参数设置 由于只做轴向疲劳试验，控制参数仅需要对通道0 进行设置，波形方式选择 等幅疲劳，等幅参数中波形选择三角波控制方式可以选择位移、负荷或应变控 制。试验主要控制参数包括均值、幅值、频率和加载次数，需要依据试验需要进 行设定。 图2 9试验控制参数设定 6 ) 新建文件用于数据存储 第一荜试验设需和试验方法 ( 7 ( 8 ( 9 图2 1 0试验义件保存 开始试验，点击开始试验按钮，选扦确定； 实验结束载荷归零，卸下试件，切换位移控制 旨先将油压降为零停止实验机及循环水泵 第三章材料单轴拉伸与循环特性 第三章材料单轴拉伸与循环特性 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。在单轴拉伸 试验中可以获得材料的基本力学性能参数，其中包括金属力学性能的四大指标： 抗拉强度( 0 6 ) ，屈服强度( 仉) ，伸长率( 6 ) 以及断面收缩率( 、i ，) 。这些指标参数的确定 可以为后继的棘轮试验和疲劳试验参数的确定提供重要的依据。主要实验装置如 图3 1 所示： 图3 1拉伸实验装置图 本试验中采用的应力为名义应力，不考虑试验过程中截面的收缩，即： 盯= p 4 ( 3 - 1 ) 其中：盯一名义应力( m p a ) ，p 一载荷( k n ) ，4 一为初始截面积( m m 2 ) 断裂后伸长率万的计算公式为： 万：l 刍x 1 0 0 厶 ( 3 - 2 ) 第三章材料单轴拉伸与循环特性 其中，万为断后伸长率，l o 为标定距离( m m ) ，。为断后距离( m m ) 。 断裂后截面收缩率的计算公式为： y = 华圳。 p 3 ， 其中，杪为截面收缩率，d o 为原始直径( n l l n ) ，d l 表示断后直径( m m ) 。 3 1 1 母材单轴拉伸试验 首先在试验过程中采用应变控制，应变率为2 5 1 0 ，图3 2 给出了代号为 m l 3 0 7 的1 6 m n r 母材试件应变控制曲线和单轴拉伸曲线： 墨 三 里 竺 受 聋 04 08 01 2 01 6 02 0 0 宙 乱 三 窃 尘 罚 耍 聋 t i m e ( s ) a x i a ls t 阳i n ( ) ( a ) 应变控制曲线( b ) 应变一应力相应曲线 图3 2母材应变控制拉伸曲线 4 在单轴拉伸试验的初始阶段，应力应变关系呈线性，变形是弹性可逆的；在 应变控制方式下，应力应变关系很快转入笫二阶段：当o - = 3 7 0 m p a 时，材料进入 塑性强化阶段，此后应力应变呈非线性关系，且变形是不可逆的。在这个阶段虽 然应变变化很大，但是应力变化不大，应变比率达到4 后，停止试验，载荷降为 零，此时对应的变形为塑性变形。再次加载时发现材料的屈服极限比未加载时有 所增加，这说明该1 6 m n r 母材试件发生了明显的应变强化现象。 接下来对试件m l 3 1 3 采用载荷控制，加载率为0 0 8 k n s ，一直持续到将试件 拉断。图3 3 给出了m l 3 1 3 的应力控制曲线和单轴拉伸曲线。 0 o 0 加 4 3 2 1 o 1 第三章材料单轴拉伸与循环特性 nr n 毹s ) a x i a ld i s p l a c e 啪n t ( m m ) ( a ) 应力控制曲线 ( b ) 位移一应力曲线 圈3 4母材应力控制拉伸曲线 f a l 试件断裂后全貌 c o ) 试件断口形貌 图3 4单轴拉伸试件断1 3 断裂后的试样发生明显的颈缩外表面有细小的滑移痕迹断口外圈呈现出 明显的强化迹象，略呈灰白色；断口中间区域则呈暗黑色，显现出纤维状脆性断 裂特征，这显然是由于试件截面收缩后无法继续承受较高的应力而产生的- 试验结束后可以通过测量并依据公式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 计算伸长率和断面收缩率a 试验前测得：l o = 6 0 ( r a m ) 、直径d 。= 1 0 m m ，试验后测得： = 7 76 ( r a m ) ， 日一 曩 幻一 匕 第三章材料单轴拉伸与循环特性 d ，= 6 m m 。于是可以得到： 万：生量1 0 0 ：7 7 6 - 6 0 1 0 0 ：2 9 3 ( 3 4 ) l o 6 0 、 7 ；f ，= d 。2 以- 。d 1 2 x 1 0 0 = 1 0 1 2 。- ：6 2 一1 。= 6 4 ( 3 5 ) 再根据试验数据计算材料的弹性模量e 和泊松比v ，最后得到1 6 m n r 基本力 学性能如表3 1 所示： 表3 11 6 m n r 试验性能 将两种控制方式得到的位移一应力曲线对比 o o1 0z0：幻 a x i a | d i s p l a c e m e n t ( m m ) 图3 5 应力位移曲线 由于前期加载历史的影响，使得材料进入塑性后卸载，对材料产生了强化作 用，因此在弹性段母材试件m l 3 1 3 的曲线相对于m l 3 0 7 曲线向右偏移。但进入 塑性阶段后，位移应力曲线基本重合，可以看出位移控制较为准确。实验在大 变形时，可以保证精度，得到材料的强度极限和延伸率。 3 1 2 焊接接头单轴拉伸试验 图3 - 6 给出了1 6 m n r 焊接接头h l l 0 1 的控制曲线和单轴拉伸曲线。h l i 一0 1 采用载荷控制方式，加载率为0 0 8 k n s 。 0 o 0 鲫 砌 黝 一毋也乏)so与耍v 第三章材料单轴拉伸与循环特性 5 0 4 0 艺3 0 卫 口 32 0 1 0 0 02 0 04 0 0 t i m e ( s ) ( a ) 载荷- 时间曲线 图3 6 宙 正 三 岔 拐 葡 爱 0 6 0 0 8 0 0 024681 0 a x i a ls t r a i n ( ) ( b ) 应力一应变曲线 载荷控制方式下母材的拉伸曲线 由焊接接头试验可知，应变控制与应力控制方式能够得到一致的试验结果， 不同控制方式得到的应力应变曲线具有较好的对应关系。材料的屈服限、强 度限、延伸率及断面收缩率均与已发表文献相近，材料的拉伸力学性能稳定。 3 1 3 母材与焊接接头的力学性能比较 焊接热过程概括起来有以下五个特点：加热温度高、加热速度快、高温停留 时间短、自然条件下连续冷却、加热的局部性和移动性将产生不均匀相变及应变 以及在应力状态下进行组织转变，综合上述，焊接条件下热影响区的组织转变必 然有它本身的特殊性。图3 7 给出了焊接热影响区的分布特征，具体描述如下： 1 1 熔合区：焊缝与母材之间的过渡区域，化学成分不均匀，常常成为焊接接 头最薄弱的部位，是产生裂纹、脆性破坏的发源地。 2 ) 过热区：与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。 3 ) 相变重结晶区( 正火区或细晶区) ：是热影响区中组织性能最佳的区段。 4 1 不完全重结晶区：晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。 6 4 2 第三章材料单轴拉伸与循环特性 图3 7 焊接热影响区的分布特征 1 熔合区；2 过热区；3 一相变重结晶区 4 一不完全重结晶区：5 母材 苟 正 邑 器 羔 竺 翌 盏 024681 0 a x i a ls t r a i n ( 1 图3 8母材m l 3 0 7 与 焊接接头h l ! 0 1 单轴拉伸曲线比较 焊接工艺的优劣一般会对材料产生很大的影响，本试验所采用的焊接接头试 件性能较好，如图3 8 所示，可以看到母材与焊接接头的单轴拉伸曲线比较接近， 而且焊接接头的屈服强度较母材有一定程度的提高。 3 21 6 m n r 的循环特性 在机械和工程结构中，许多构件常常受到循环交变载荷的作用。试验表明， 在交变应力作用下的构件，虽然所受应力小于材料的静强度极限，但经过应力的 多次循环之后，构件将产生可见裂纹或完全断裂，而且，即使是塑性很好的材料， 断裂时也往往无显著的塑性变形。 3 2 1 母材应变循环试验 试验用应变控制，数据是使用试件m b 连续试验得到。 表3 2应力循环控制参数 o 0 0 0 o 加 砌 第三章材料单轴拉伸与循环特性 图3 - 9 给出了试件m b 3 在应变幅为0 5 的应力廊变滞环。 01 0 01 5 02 0 02 5 0 t i m e ( s ) ( a ) 时间- 应变曲线 6 0 0 4 0 0 宙 n 丢2 0 0 巴 茄0 仍 耄2 0 0 4 6 0 0 亩 也 三 器 兰 竺 璺 爱 04 01 2 0 1 6 0 t i m e ( s ) ( b ) 时间一应力曲线 o 8 图3 9 - 0 4oo 40 8 a x i a ls t r a i n ( ) ( c ) 应力一应变滞环 0 5 应力应变循环控制 由图看出应力和应变具有较好的对称性，说明应变控制良好，得到了o 5 应 变循环对应的循环应力峰值为4 1 5 m p a 。试验中应力峰值随循环数的增加有下降趋 势，说明1 6 m z 水, 材料具有循环软化特性。 依次类推，通过试验可以得到其它应变幅下的应力应变曲线，将循环应力一 应变滞环的应力峰值连线，与单轴拉伸曲线比较，见图3 1 0 。由图可知，对应相 同的应变幅值，单轴拉伸试件的应力较小，这说明循环对于材料的强度有增强作 用。陈旭等 6 】通过对1 6 m r 源进行研究，也得到了类似的结论。 0 0 o 0 0 o o 加 蜘 8 4 0 4 8 0 0 一零一cm与一一v(v 第三章材料单轴拉伸与循环特性 ，- 、 正 乏 百 巴 c ，) 受 - 4 0 0 - 6 0 0 a x i a ls t r a i n ( ) 图3 1 0母材单轴拉伸与循环曲线比较 3 2 2 焊接接头应变循环试验 选取焊接接头h b l ，试验用应变控制，得到循环曲线。 表3 3焊接接头应变循环控制参数 2 仍然用h b 3 ( 0 5 ) 席变控制为例进行说明。由图3 - 1 1 看，应力应变滞环 具有很好的对称性，说明应变控制良好。图3 一1 2 将焊接接头的应力应变循环曲线 与单轴拉伸曲线比较，可以看到，同样是对应相同的应变幅，单轴拉伸的最大应 力较循环曲线的最大应力偏小，这说明先前的循环加载对于焊接材料的强度有增 强作用。 0 o 0 0 0 加 加 加 第三章材料单轴拉伸与循环特性 邑 呈 竺 窭 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 t i m e ( s ) ( a ) 时间一应变曲线 岔 也 三 给 羔 竺 雹 盏 宙 乱 三 器 巴 历 趸 聋 0 1 0 01 5 02 0 02 5 0 t i m e ( s ) ( b ) 时间- 应力曲线 ( c ) 应力一应变滞环 图3 1 10 5 应力一应变循环控制 0 4 0 0 210123 a x i a ls t r a i n ( ) 图3 1 2焊接接头单轴拉伸与循环曲线比较 2 3 0 0 o 0 o 旧 盼 倒 砌 捌 加 舶 6 4 2 0 2 4 6 0 0 0 旬 田 第三章材料单轴拉伸与循环特性 3 3小结 ( 1 )通过对1 6 m n r 材料及其焊接接头的单轴拉伸试验，确定了材料的基本力 学性能参数，母材在拉伸实验中表现出应变强化特征； ( 2 )母材在两种不同控制方式下得到的应力应变曲线略有不同，尤其在大变 形时，应变控制精度更高；焊接接头在两种控制方式下得到的应力- 应变 曲线基本一致；对于接下来的疲劳试验，应当采用应变控制； ( 3 )母材和焊接接头在循环加载过程中，应力峰值随循环数的增加有下降趋 势，说明1 6 m n r 材料具有循环软化特性；将循环应力应变滞环的应力 峰值连线，与单轴拉伸曲线比较，发现循环加载对材料的强度有增强作 用。 第四章大循环数下1 6 m n r 的棘轮效应 第四章1 6 m n r 材料棘轮特性 4 1 棘轮应变的定义 棘轮应变是应力控制循环加载条件下循环塑性应变的逐步累积。目前主要有 三种棘轮应变的定义来反映这种循环塑性应变累积。 占，= ( s + 占r ) 2 ( 4 - 1 ) 式中，占，表示总应变，吼和靠分别表示在一个循环中选择的两个数据点( 一 般为最大值和最小值) ，在三种定义中具有不同的表达式： 1 ) 按照塑性应变定义 6 r ( ) = 占一t ( 柚) - - 1 0 0 时，虽然程序显示控制应变 正常，当实际材料的应变大于控制参数，这也导致了试验数据不准，疲劳寿命低 第五章1 6 m n r 材料疲劳特性 于预期。通过对试验室温度的控制，使温度维持在2 6 。c - 2 7 。c ，试验中引伸计标 定系数不再过大变动，这样才能减小温度漂移对试验的影响【2 9 1 。 5 5 棘轮对疲劳寿命的影响 在大循环数棘轮试验中，m 1 4 r 循环应变幅是0 3 ，但存在1 2 5 m p a 的平均 应力，见图4 1 0 。整个棘轮试验仅进行了8 0 0 多个循环，试件便发生了断裂。在 棘轮试验过程中，棘轮应变不但没有出现安定的趋势，反而在加载后半段出现了 棘轮应变加速累积的现象。对比0 3 应变幅的低周疲劳试验数据，疲劳实验的 寿命是6 5 8 7 圈。两者对比如图5 8 所示： 4 0 至3 0 o o l l 盏2 0 1 0 11010 010 0 010 0 0 0 n u mb e ro fc y c l e s 图5 8o 3 循环应变幅的棘轮试验与疲劳试验循环数比较 两者对比如图5 8 所示，这说明有拉伸平均应力的对称循环试验对材料寿命 具有相当大的影响，在平均应力的作用下材料内部的损伤加剧，大大加速了材料 的断裂。因此在采用1 6 m n r 作为结构材料时，为提高材料的使用寿命，应尽量 减小或者消除平均应力的作用，才能确保该结构的长期稳定安全使用。 5 6 小结 本节通过低周疲劳试验分别获得了1 6 m n r 母材