李曉剛，張　楠，趙愛民

（1.北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京100083；2.首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

60 kg級(jí)埋弧焊絲熔敷金屬的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

李曉剛1，2，張楠2，趙愛民1

（1.北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京100083；2.首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

采用MTS-810低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，在試驗(yàn)頻率為10 Hz條件下，應(yīng)用三點(diǎn)彎曲法對(duì)兩種60 kg埋弧焊絲熔敷金屬進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率實(shí)驗(yàn)；繪制熔敷金屬裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK之間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：利用線性擬合法得到H08Mn2SiA焊絲匹配HJ431焊劑及SJ101焊劑的Paris方程C系數(shù)分別為7.5×10-42和1.2×10-49，m系數(shù)分別為17.32和20.9，計(jì)算得出裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth分別為93.38 MPa·m1/2和101.34 MPa·m1/2。

熔敷金屬；疲勞裂紋；擴(kuò)展速率；ΔK；ΔKth

0　前言

疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)中最常見的一種失效形式，隨著高強(qiáng)鋼在工程機(jī)械、汽車梁架及車輪等動(dòng)載結(jié)構(gòu)件上的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)的疲勞問題更加突出[1]。從本質(zhì)上說，疲勞強(qiáng)度是一個(gè)局部強(qiáng)度問題，焊接疲勞裂紋主要由缺陷導(dǎo)致。因此，評(píng)價(jià)材料在缺陷條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率是決定疲勞行為的重要特征參量。目前，針對(duì)焊接疲勞性能的研究多圍繞S-N曲線法開展接頭整體力學(xué)性能的評(píng)價(jià)，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的研究甚少[2]。本研究針對(duì)兩種60 kg埋弧焊熔敷金屬，在恒應(yīng)力幅控制下對(duì)疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，得到實(shí)驗(yàn)材料的裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK之間的關(guān)系曲線，為工程應(yīng)用提供參考。

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)過程

試驗(yàn)用材選用φ4 mm的H08Mn2SiA焊絲分別匹配HJ431焊劑和SJ101焊劑進(jìn)行熔敷金屬試驗(yàn)。熔敷金屬化學(xué)成分見表1，焊接工藝及力學(xué)性能見表2，金相組織如圖1所示。H08Mn2SiA焊絲分別匹配HJ431焊劑的熔敷金屬顯微組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體+魏氏組織，而匹配HJ431焊劑的熔敷金屬顯微組織中無明顯魏氏組織。

圖1　熔敷金屬顯微組織Fig.1Microstructures of deposited metal

表1　熔敷金屬化學(xué)成分Tab.1Chemical compositions of deposited metal ％

表2　熔敷金屬焊接工藝參數(shù)及力學(xué)性能（-20℃）Tab.2Welding procedure and mechanical properties of deposited metal at-20℃

2　疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)過程

2.1試驗(yàn)原理

疲勞裂紋擴(kuò)展速率是指構(gòu)件應(yīng)力循環(huán)一次疲勞裂紋開裂的長(zhǎng)度，它綜合反映了構(gòu)件疲勞失效的傾向性。斷裂力學(xué)中把裂紋的擴(kuò)展速率da/dN看作是應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的函數(shù)，其與ΔK的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中是一條S形曲線[3]，如圖2所示，該曲線可分為三個(gè)區(qū)域，即典型的疲勞裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段：Ⅰ區(qū)為低速率區(qū)，該區(qū)可測(cè)定疲勞裂紋門檻值ΔKth；Ⅲ區(qū)為高速率區(qū)，該區(qū)裂紋擴(kuò)展壽命很短，在分析結(jié)構(gòu)壽命時(shí)可以將其忽略；而Ⅱ區(qū)作為中速率區(qū)，da/dN-ΔK有良好的對(duì)數(shù)線性關(guān)系，速率曲線表示為[4]

式中ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，ΔK=Kmax-Kmin；C為由試驗(yàn)確定的材料常數(shù)；m為直線部分的斜率。

圖2　疲勞裂紋擴(kuò)展示意Fig.2Schematic diagram of crack propagation

2.2試驗(yàn)過程

參照國(guó)標(biāo)GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》，對(duì)熔敷金屬試板取NP方向的三點(diǎn)彎曲SE（B）試樣。精加工后的試樣尺寸如圖3所示，并在MTS-810電伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上采用恒定應(yīng)力的形式，平均應(yīng)力270 MPa，應(yīng)力比R為0.05，利用升K控制法。試驗(yàn)前期，在不大于試驗(yàn)力的條件下，人工預(yù)制1.1 mm疲勞裂紋，后設(shè)定讓計(jì)算機(jī)逐一自動(dòng)記錄裂紋累計(jì)擴(kuò)展0.25 mm時(shí)的長(zhǎng)度ai及相應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)Ni，其中裂紋長(zhǎng)度ai采用引伸計(jì)利用柔度法測(cè)量，當(dāng)裂紋累計(jì)擴(kuò)展長(zhǎng)度達(dá)到9.6 mm時(shí)停止試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率10 Hz。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

以H08Mn2SiA+HJ431焊縫位置疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)過程為例，根據(jù)試驗(yàn)過程中記錄下的各組裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a和對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N，以循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)，a為縱坐標(biāo)，畫出a-N曲線如圖4所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用軟件Origin 8.0擬合出a-N曲線，a0= 3.194 34，A1=0.452 11，t1=-3 128.623，擬合方程為

將式（2）對(duì)循環(huán)次數(shù)N求導(dǎo)，得到da/dN方程

圖3　標(biāo)準(zhǔn)SE（B）示意Fig.3Schematic diagram of SE（B）

圖4　H08Mn2SiA+HJ431焊后熔敷金屬a-N曲線Fig.4a-N Curve of deposited metal with H08Mn2SiA+ HJ431

如前所述，da/dN與ΔK的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上呈線性關(guān)系，因此首先要計(jì)算出對(duì)應(yīng)于每個(gè)裂紋長(zhǎng)度的ΔK值。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣的裂紋尖端強(qiáng)度因子范圍計(jì)算表達(dá)式為[5]

式中ΔP為試驗(yàn)加載范圍；S、B、W、a分別為試件跨度、試件寬度、試件高度和裂紋長(zhǎng)度。

將式（4）求出的ΔKi與對(duì)應(yīng)(da/dN)i數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，即可得da/dN與ΔK的關(guān)系曲線。但在試驗(yàn)分析過程中往往采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，因此在本試驗(yàn)中也計(jì)算[lg（da/dN）]i和（lgΔK）i，試驗(yàn)計(jì)算出的（da/ dN）i與ΔKi值以及［lg（da/dN）］i與（lgΔK）i值如表3所示。

表3　da/dN及ΔK數(shù)據(jù)Tab.3Data of da/dN and ΔK

繪制lg（da/dN）-lgΔK曲線并線性第二階段線性部分，得到擬合方程

式中m=17.32，C=7.5×10-42。

故對(duì)于H08Mn2SiA+HJ431焊縫位置的Paris方程應(yīng)為

兩種熔敷金屬的疲勞裂紋擴(kuò)展[lg（da/dN）]i-（lgΔK）i關(guān)系曲線如圖5所示。若定義裂紋擴(kuò)展速率為1×10-7mm/cycle時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅定為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth，則H08Mn2SiA焊絲匹配HJ431焊劑及SJ101焊劑的ΔKth分別為93.38MPa·m1/2和101.34MPa·m1/2。而兩種熔敷金屬測(cè)試時(shí)采集的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子ΔK分別為142.48 MPa·m1/2和142.23 MPa·m1/2，證明在記錄到第一個(gè)裂紋數(shù)據(jù)時(shí)裂紋就已經(jīng)處在裂紋擴(kuò)展的第二階段；此外，縱向?qū)Ρ鹊谝粋€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率發(fā)現(xiàn)，匹配SJ101焊劑的熔敷金屬具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展傾向，而裂紋擴(kuò)展后期反而增大，這主要是因?yàn)樵诹鸭y尖端強(qiáng)度因子ΔK較小時(shí)，匹配SJ101焊劑的熔敷金屬組織中大量的針狀鐵素體可有效阻礙裂紋擴(kuò)展；而在疲勞峰值應(yīng)力較為接近熔敷金屬屈服強(qiáng)度的條件下，隨著ΔK持續(xù)增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大。

結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的產(chǎn)生分為

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Crack propagation rate of deposited metal of 60 kg level submerged arc welding wire

LI Xiaogang1，2，ZHANG Nan2，ZHAO Aimin1
（1.Research Institute of Metallurgical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

On the low-frequency fatigue tester MTS-810 with frequency of 10 Hz，the crack propagation rate of deposited metal using 60 kg level submerged arc welding wire was tested by three-point bending method.The relationship between the propagation rate da/dN and the amplitude of stress intensity factor was given.The results showed that the coefficient C/min Paris equation of deposited metal with HJ431 and SJ101 were determined as 7.5×10-42/17.32 and 1.2×10-49/20.9 respectively，and the threshold value of crack propagation ΔKthwas 93.38 MPa·m1/2and 101.34 MPa·m1/2respectively.

deposited metal；fatigue crack；propagation rate；ΔK；ΔKth

TG405

A

1001－2303（2016）04－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.21

2015-12-23

李曉剛（1980—），男，山西人，高級(jí)工程師，博士，主要從事金屬材料成形技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、碰撞安全分析等方面的研究工作。