余啟明，孫代文，張 智

（1．武漢工業(yè)學(xué)院 土建學(xué)院，武漢 430023；2．武漢市公路勘察設(shè)計(jì)院，武漢 430051）

高強(qiáng)厚鋼板E38的CTOD試件疲勞短裂紋試驗(yàn)研究

余啟明1，孫代文2，張 智1

（1．武漢工業(yè)學(xué)院 土建學(xué)院，武漢 430023；2．武漢市公路勘察設(shè)計(jì)院，武漢 430051）

由于結(jié)構(gòu)中存在固有不可避免的缺陷，通過試驗(yàn)研究了高強(qiáng)厚鋼板E38的CTOD試件疲勞裂紋預(yù)制過程及特點(diǎn)，分別得到了不同厚度的母材疲勞短裂紋擴(kuò)展情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，所得結(jié)果將為大型厚壁結(jié)構(gòu)的使用提供重要的試驗(yàn)依據(jù)和計(jì)算基礎(chǔ)。

E38；裂紋尖端張開位移（CTOD）；斷裂；疲勞

由于大型厚板鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在難以避免的缺陷，這些缺陷一部分來自于制造加工過程產(chǎn)生的破壞，一部分來自于服役過程中由于疲勞荷載而形成的損傷，還可能是由于承受車輛的沖擊荷載而產(chǎn)生的裂紋。裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降甚至完全喪失而造成嚴(yán)重事故。本文采用三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的方法對(duì)厚鋼板E38的CTOD試件進(jìn)行了斷裂紋預(yù)制研究，得到的結(jié)果將為結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考。

1 試驗(yàn)材料性能

本試驗(yàn)采用的是常用的高強(qiáng)度厚鋼板E38，根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7448制備三點(diǎn)彎曲（TPB）標(biāo)準(zhǔn)試樣，E38力學(xué)性能見表1。

表1 E38母材力學(xué)性能要求

2 疲勞裂紋預(yù)制試驗(yàn)主要設(shè)備

（1）高頻率疲勞試驗(yàn)機(jī)，用來制備CTOD試件尖銳的疲勞裂紋。

（2）讀數(shù)顯微鏡，用于CTOD試件的斷口分析和測(cè)量。

3 試件制作

3．1 試樣截取

在用高強(qiáng)度厚鋼板E38板厚度為44mm和36mm上截取厚度為38mm和30mm的試件（如圖1），缺口方向?yàn)楹穸确较?，分別對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行分組編號(hào)登記。

圖1 從厚板上截取的試樣

3．2 加工CTOD試件缺口

完成上述加工程序后，為了使CTOD試樣表面光潔程度提高，便于測(cè)量與切割，用砂紙對(duì)CTOD試樣進(jìn)行整體手工打磨；隨后采用無水酒精對(duì)試樣準(zhǔn)備切割部分的附近進(jìn)行細(xì)致清洗，然后測(cè)量標(biāo)定待加工缺口的位置，用鉛筆在上面畫加工線，并做好記錄。最后利用切割機(jī)對(duì)CTOD試樣進(jìn)行斷口制備，要求切割后的試件切割面光滑平整，幾乎無變形。加工過程中為了保證裂紋平面垂直于試樣表面，偏差保證控制在±2°以內(nèi)，切割后的表面變質(zhì)層很薄，可以用砂紙稍加磨銷給予消除。然后在線切割機(jī)上利用直徑不超過0．1mm的鉬絲加工缺口，缺口如圖2。

圖2 加工缺口后的試樣

4 試驗(yàn)方法

國(guó)際上所有國(guó)家的CTOD斷裂韌度試驗(yàn)規(guī)范都要求預(yù)制疲勞裂紋，主要是為了在試驗(yàn)室中獲得能夠真實(shí)模擬自然條件下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的最尖銳疲勞裂紋，其曲率半徑為零。本試驗(yàn)的全部試驗(yàn)構(gòu)件均采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫的條件下預(yù)制疲勞裂紋。

圖3 預(yù)制疲勞裂紋

在試驗(yàn)過程中，先采用較低的應(yīng)力比R＝0．1制造出2mm的疲勞裂紋，然后讓高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)保持最大疲勞荷載的上限值不變，然后調(diào)整為較大的應(yīng)力比（R＝0．6）將疲勞裂紋線再制備3mm。通過這樣的方法可以在保證預(yù)制過程中裂紋尖端始終處于低應(yīng)力水平，周圍材料不因?yàn)楹奢d過大出現(xiàn)鈍化，使焊接接頭韌度CTOD評(píng)定結(jié)果更客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確，有效的避免裂紋的尖端部位產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，從而影響到此后的斷裂韌度CTOD測(cè)試試驗(yàn)的結(jié)果精度。

5 疲勞裂紋預(yù)制試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的記錄，38mm厚和30mm厚試件疲勞裂紋擴(kuò)展情況如表2，3所示。

表2 38mm厚試件疲勞裂紋擴(kuò)展情況

表3 30mm厚試件疲勞裂紋擴(kuò)展情況

根據(jù)表2，3對(duì)比可以得出，對(duì)于不同厚度高強(qiáng)E38母材的疲勞擴(kuò)展速率來說，在相同水平的高頻疲勞荷載作用下，厚度為38mm的CTOD試件的裂紋擴(kuò)展速率大于板厚為30mm的試件，其原因是由于厚板試件的沿著厚度方向受到的約束不容易發(fā)生塑性變形，而薄板構(gòu)件裂紋尖端大的塑性變形導(dǎo)致其裂紋尖端部位發(fā)生鈍化，因此應(yīng)力的遷移能夠使塑性區(qū)域的材料發(fā)生更大的塑性變形，這種塑性變形有效地抵抗了材料的疲勞破壞荷載，極大地使疲勞裂紋擴(kuò)展速度降低。然而，對(duì)于厚板試件來講，板厚方向很大程度限制了塑性區(qū)域的變形，因此，疲勞擴(kuò)展速率比薄板要快。

6 結(jié)語

根據(jù)本次試驗(yàn)的目的和試驗(yàn)實(shí)際情況，依照金屬材料CTOD斷裂韌度測(cè)試規(guī)范，對(duì)所有試件進(jìn)行預(yù)制疲勞裂紋，其目的是在試驗(yàn)室中得到最能真實(shí)模擬自然的最尖銳裂紋。在常溫條件下采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下對(duì)所有試件進(jìn)行了疲勞裂紋預(yù)制，獲得了裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)值。對(duì)于厚板來說，板厚方向限制了塑性區(qū)域的變形，因此，擴(kuò)展速率較快。

［1］苗張木.金屬焊接CTOD疲勞裂紋前沿平直度研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（12）．

［2］張玉玲，戴福忠，陶曉燕，等．14MnNbq，16Mnq鋼及其焊接沖擊韌性CVN試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2004（3）：80-85．

［3］陳傳堯，高大興．疲勞斷裂基礎(chǔ)［M］．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1991．

［4］Suresh S，著．王中光，等譯．材料的疲勞［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993．

［5］李少甫，王元清．鋼結(jié)構(gòu)的斷裂與疲勞分析［D］．北京：清華大學(xué)，1999.

Study on Short Fatigue Crack of High Strength Steel Plate E38 CTOD Specimen

YU Qi－ming1，SUN Dai－wen2，ZHANG Zhi1
（1．School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan430023，China；2．Wuhan Road Reconnaissancing and Planning Academy，Wuhan430051，China）

Because there are inevitable defects in the structure，by studying the prefabricated process and its characteristics of the CTOD specimen’s short fatigue crack， respectively obtained the short fatigue crack conditions of different thickness base metals， and analyzed the test results．The related conclusions provide the important experimental basis and computation basis．

E38；crack tip opening displacement（CTOD）；fracture；fatigue

TV32

A

1672-9900（2012）01-0083-02

2011－12－30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51009111）

余啟明（1980—），男（漢族），湖北鄂州人，博士，主要從事工程材料非線性研究，（Tel）13397162363。