周艷春 李愛群,2 方 釗 李萬潤,3

(1東南大學土木工程學院, 南京 210096)(2北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100044)(3蘭州理工大學土木工程學院, 蘭州 730050)

Q345鋼對接接頭低周疲勞性能試驗研究

周艷春1李愛群1,2方 釗1李萬潤1,3

(1東南大學土木工程學院, 南京 210096)(2北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100044)(3蘭州理工大學土木工程學院, 蘭州 730050)

采用等幅軸向低周疲勞試驗,通過疲勞壽命、循環(huán)應力-應變響應特征及應力-應變滯回曲線等指標研究了Q345鋼對接接頭的疲勞性能,觀察了疲勞斷口宏觀特征,并在試驗研究和有限元分析的基礎上,建立了該焊縫材料的疲勞壽命預測公式．結果表明:焊縫材料初始階段表現(xiàn)為明顯循環(huán)硬化現(xiàn)象,后期為輕微循環(huán)軟化,總體上提高了材料的強度及疲勞性能;隨著軸向位移的增加,應力幅增大,循環(huán)硬化率線性減小;滯回曲線光滑、飽滿,材料耗能能力穩(wěn)定;疲勞斷口可明顯劃分為裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和裂紋瞬斷區(qū),為典型疲勞破壞斷口.得到的疲勞壽命預測公式對實際工程中Q345鋼結構的疲勞分析和壽命預測具有重要意義．

Q345;對接接頭;焊縫;低周疲勞壽命;有限元分析

地震具有突發(fā)性強、破壞性大、防御難度大等特點,對生命財產(chǎn)安全造成極大威脅[1],因此必須盡可能降低地震直接災害和次生災害產(chǎn)生的損失．焊接鋼結構憑借其強度高、韌性好、易于施工、價格低等優(yōu)點被廣泛應用于高層高聳建筑中,但焊縫中存在的裂紋、氣孔及未焊透等焊接缺陷嚴重影響結構的安全性,容易導致結構危險部位疲勞裂紋萌生及擴展,并最終導致疲勞破壞事故發(fā)生．這類事故并不罕見,在1987年美國加州地震、1994年美國Northridge地震[2-3]及1995年日本阪神地震等多數(shù)地震中都發(fā)生了鋼結構疲勞破壞的事例．疲勞破壞是焊接鋼結構的一種主要失效方式[4],多表現(xiàn)為在循環(huán)荷載作用下,焊縫部位應力集中處萌生疲勞裂紋,隨著損傷累積和裂紋的不斷擴展,最終結構瞬間斷裂,并且沒有任何明顯征兆．

Q345鋼作為高層高聳鋼結構建筑中的常用鋼材,具有良好的可焊接性、低溫性、可切削性等綜合性能．但是在實際工程應用中,該材料在地震循環(huán)作用下容易產(chǎn)生塑性變形,發(fā)生低周疲勞破壞．為更好地保證結構的安全性、適用性及耐久性等指標,本文對Q345鋼進行了低周疲勞性能研究與壽命預測．近年來已有較多學者對Q345鋼的低周疲勞性能開展了相關研究,如Pu等[5]對Q235B和Q345BH鋼的綜合抗震性能指標進行分析測試并計算了材料循環(huán)能量吸收率;羅云蓉等[6]通過對Q235和Q345鋼的低周疲勞性能試驗得到了材料循環(huán)硬/軟化的臨界值,并結合低周疲勞性能評價發(fā)現(xiàn)2種材料抗震性能都不夠理想;崔仕明等[7]對Q345鋼的循環(huán)硬化(軟化)效應及疲勞壽命進行了分析測試,指出疲勞壽命與加載應變幅存在冪函數(shù)關系．

可靠預測結構壽命可極大降低危險概率,減少損失[8]．關于Q345鋼低周疲勞壽命的預測,本文在權衡名義應力法、局部應力應變法、損傷力學法、斷裂力學法等多種方法的優(yōu)缺點及適用范圍后,選擇了適用于高應變低周疲勞壽命預測的穩(wěn)態(tài)局部應力應變法[9]進行研究．

本文針對Q345鋼對接接頭進行等幅軸向低周疲勞試驗研究,系統(tǒng)研究了該材料的循環(huán)響應特征及滯回曲線等低周疲勞性能,根據(jù)斷口特征對疲勞破壞機理進行了分析研究．結合試驗研究和ANSYS有限元分析建立了疲勞壽命預測公式,為該材料的疲勞壽命預測提供依據(jù)．

1 試驗方案

1.1 試件制備

為避免材料差異及加工畸變等因素影響,保證焊縫初始狀態(tài)的一致性,首先將20 mm厚的Q345熱軋鋼板對接焊接,再將其粗加工切割成條狀,最后精加工打磨拋光成型．

焊接采用CO2氣體保護的X坡口對接焊,焊縫質量一級,未出現(xiàn)裂紋、咬邊、未焊透等缺陷．試件尺寸綜合參照《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》(GB/T 15248—2008)和《Metallic materials fatigue testing axial-strain-controlled method》選定,如圖1所示,加工完成的一組試件照片(共3組)如圖2所示．

圖1 低周疲勞試件尺寸示意圖(單位:mm)

圖2 低周疲勞試驗試件

1.2 試驗設備及加載方法

本試驗在常溫大氣環(huán)境下進行,試驗儀器為50 t MTS疲勞試驗機和15 mm軸向引伸計,施加軸向位移(即疲勞試驗機作動頭相對位移)，取值為0.50, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80, 0.90 mm共8組,循環(huán)波型為三角波,應變比R=-1,保持加載頻率為0.1 Hz．以試件最終斷裂次數(shù)作為該試件的疲勞壽命且同種試驗條件下取3根試件進行試驗．

2 試驗結果與分析

試驗過程中,由計算機自動采集試驗數(shù)據(jù),每個循環(huán)周期采集1 000組數(shù)據(jù),包括試件循環(huán)圈數(shù)、疲勞試驗機作動力、作動頭相對位移以及軸向引伸計相對位移等．

2.1 循環(huán)應力-應變響應特征

金屬材料在交變荷載作用下會出現(xiàn)循環(huán)軟化或循環(huán)硬化現(xiàn)象．在等幅對稱循環(huán)荷載作用下,隨著循環(huán)圈數(shù)的增加應力幅不斷增加的現(xiàn)象稱為循環(huán)硬化,反之則為循環(huán)軟化．循環(huán)硬化可以提高材料強度和動態(tài)承載力,防止材料因強度過低而導致過早失效破壞．通過分析Q345鋼對接接頭焊縫的循環(huán)軟化或硬化現(xiàn)象,有助于進一步研究該焊縫材料的疲勞性能．

結合作動力最大加載載荷下降比例和最終斷裂循環(huán)次數(shù)確定疲勞壽命(Nf),結果見表1．

表1 低周疲勞試驗所得各試件疲勞壽命

各試件在不同軸向加載位移下的循環(huán)響應特征曲線如圖3所示,應力幅取拉應力和壓應力峰值的平均值．各試件應力取值采用名義應力,即軸向力與截面面積之比．

圖3 應力幅循環(huán)響應特征曲線

由圖3可看出,Q345鋼在初始階段表現(xiàn)為循環(huán)硬化,應力幅迅速達到峰值,之后,隨著循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)為輕微的循環(huán)軟化,但循環(huán)軟化過程相對穩(wěn)定,應力幅值變化幅度較小,最后隨著試件的斷裂,應力幅值急劇減小．雖然試件在整個疲勞破壞過程中經(jīng)歷了循環(huán)軟化過程,但該軟化較輕微,截至破壞前,試件應力幅均高于初始階段應力幅,總體上提高了材料動態(tài)承載能力．焊縫材料得到硬化,應力幅增加,提高了焊縫材料強度,使得試件疲勞性能得到強化,疲勞壽命增加．

為比較不同軸向位移加載下各試件的初始循環(huán)硬化程度,可采用循環(huán)硬化率H表示,H=(σa,sat-σa,1)/σa,1,其中,σa,sat,σa,1分別為半壽命(Nf/2)和循環(huán)第1圈時的應力幅值．軸向加載位移與循環(huán)硬化率之間的關系如圖4所示．

結合圖3和圖4可看出:隨著軸向位移的增加,應力幅峰值逐漸增大,但穩(wěn)定狀態(tài)歷時逐漸減小,疲勞壽命逐漸降低;而循環(huán)硬化率呈線性減小,表明焊縫材料應力幅相對增加幅度逐漸減?。?/p>

2.2 應力-應變滯回曲線

滯回曲線能夠反映材料在整個疲勞壽命周期內(nèi)應力應變關系及其變化過程,同時能夠體現(xiàn)材料在整個過程中吸收釋放能量的過程．圖5給出了軸向加載位移為0.5 mm時試件的滯回曲線．規(guī)定試件受拉為正,受壓為負．

圖4 各試件循環(huán)硬化率及擬合曲線

圖5 應力-應變滯回曲線

由圖5可看出,初始狀態(tài)下,滯回曲線包絡面積小,耗能能力差,隨著循環(huán)圈數(shù)的增加,滯回曲線變得連續(xù)、對稱、封閉、光滑、飽滿,塑性應變在總應變中占比增大,材料耗能能力顯著增加,且很快趨于穩(wěn)定．試件與疲勞試驗機夾持端、15 mm引伸計夾持端在循環(huán)加載過程中產(chǎn)生的相對滑移造成了圖5中出現(xiàn)的滯回曲線滑移現(xiàn)象,該滑移造成作動力降低,試件應力、應變相應減?。?/p>

2.3 斷口宏觀特征

試驗所得疲勞斷口如圖6所示．該斷口可清晰地劃分為裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和裂紋瞬斷區(qū),是典型的疲勞破壞斷口．

圖6 疲勞破壞斷口

裂紋源區(qū)作為疲勞破壞的初始點,斷面平整光滑、呈扇形,疲勞裂紋易于萌生在構件表面應力最高的部位,通常不止一個,并向四周緩慢輻射擴展;裂紋擴展區(qū)占據(jù)了斷口大部分區(qū)域,斷面較為平整光滑,呈現(xiàn)外凸波紋線,根據(jù)波紋線間距,明顯看出靠近裂紋源附近裂紋擴展速度快于遠離裂紋源的區(qū)域;裂紋瞬斷區(qū)在整個斷面中占據(jù)面積最小,斷面粗糙,呈現(xiàn)放射狀,隨著裂紋擴展構件有效截面被削弱,當某處應力達到極限強度時,瞬時斷裂,為脆性破壞．

3 有限元模型建立與分析

本文選用ANSYS對Q345標準試件進行建模分析,采用八節(jié)點SOLID45單元．材料采用雙線性等強化模型,泊松比為0.25．該試件由Q345鋼母材和焊縫材料組成,2種材料的彈性模量和強度均按實測值選取．試驗試件經(jīng)X射線檢測不存在咬邊、裂紋等質量缺陷,故有限元分析中不考慮該對接接頭缺陷因素．按照焊縫的形狀、尺寸精確建模．為保證計算精度且減少計算工作量,網(wǎng)格劃分選擇在焊縫區(qū)域密集、遠離焊縫區(qū)域稀疏的方式,最小單元尺寸為0.2 mm．建立的標準試件有限元分析模型如圖7(a)所示,為與疲勞試驗控制條件保持一致,對模型進行優(yōu)化,去除標準試件夾持端部分,僅考慮疲勞試驗機夾持端之間的試件部分,優(yōu)化后模型如圖7(b)所示．

(a) 原模型

(b) 優(yōu)化后模型

對優(yōu)化后的試件有限元模型進行分析,與低周疲勞試驗荷載加載相一致,采取一端固定、一端施加軸向位移的形式,軸向位移取值分別為0.50, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80, 0.90 mm,對應模型分別為S1～S8．

經(jīng)ANSYS后處理得到模型S1的應力云圖和應變云圖, 如圖8、圖9所示,紅色區(qū)域為最大值點,由紅色到藍色數(shù)值逐漸減?。?/p>

圖8 應力云圖

圖9 應變云圖

由圖8可知，應力云圖呈對稱性,焊縫接觸面附近應力最大,之后向兩端逐漸減?。嚰虚g段截面相同,此區(qū)域內(nèi)應力應為固定值,但因為焊縫區(qū)域相對位移較大,接觸面附近區(qū)域為約束焊縫區(qū)域變形,產(chǎn)生了額外的拉(壓)應力疊加,成為應力最大的區(qū)域．過渡段隨著試件截面的增加,應力逐漸降低,符合實際受力情況．試件最大應力為512.143 MPa,焊縫處應力為354.765 MPa,超過Q345材料的屈服強度值,進入塑性變形階段．

由圖9可知，應變最大值出現(xiàn)在焊縫區(qū)域,遠離焊縫區(qū)域應變值逐漸降低．在荷載循環(huán)加載過程中,疲勞損傷不斷累積,裂紋擴展達到臨界狀態(tài)時,試件脆性斷裂．通過有限元分析可得到各試件最大應變,結果如表2所示．

表2 有限元分析得到的各試件最大應變

4 疲勞壽命預測

利用穩(wěn)態(tài)局部應力應變法進行Q345材料的疲勞壽命預測,應變-壽命曲線采用Basquin和Manson-Coffin[10-11]公式,表達式如下:

(1)

該疲勞壽命預測方法通過將測量應變幅代入式(1)即可估算試件疲勞壽命,相較于應力方法更易于實現(xiàn)且準確性更高．

采用低周疲勞試驗所得疲勞壽命(見表1)和有限元分析所得最大應變(見表2),擬合得到Q345鋼焊縫材料的疲勞壽命預測公式:

εa=0.005(2Nf)-0.282+0.277(2Nf)-0.279

(2)

擬合得到的應變-壽命曲線如圖10所示,由圖可知試驗數(shù)據(jù)點均勻分布在擬合曲線兩側,吻合良好,表明Q345鋼對接接頭的低周疲勞壽命可根據(jù)式(2)進行預測．

圖10 應變-壽命曲線

5 結論

1) 焊縫材料初始階段呈現(xiàn)出明顯循環(huán)硬化,之后表現(xiàn)為輕微循環(huán)軟化現(xiàn)象,整體上提高了材料動態(tài)承載能力和疲勞性能．

2) 滯回曲線飽滿、連續(xù),耗能能力較好,夾持端的相對滑移導致了滯回曲線的相對滑移及試件應力、應變值的降低．

3) 疲勞斷口清晰地展現(xiàn)了疲勞斷裂的全過程,對疲勞破壞機理的深入研究具有重要意義．

4) 結合有限元分析可知,試件應力、應變符合實際受力情況,應力接近甚至超過材料屈服強度,試件發(fā)生低周塑性疲勞破壞．

5) 建立了Q345鋼對接接頭的低周疲勞壽命預測公式,為其疲勞分析和壽命預測提供了理論基礎．

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Experimental study on low cycle fatigue properties of Q345 steel butt joint

Zhou Yanchun1Li Aiqun1,2Fang Zhao1Li Wanrun1,3

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Beijing Advanced Innovation Center for Future Urban Design, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China) (3School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

By constant amplitude axial low cycle fatigue tests, the fatigue performance of butt weld joints made of Q345 was studied in terms of fatigue life, cyclic stress-strain response characteristics and stress-strain hysteresis loops, and the macro-characteristics of the fracture section were examined. Based on the fatigue test data and finite element analysis, the fatigue life prediction equation of the weld material was derived. The results show that the initial stage of the weld material is characterized by obvious cyclic hardening phenomenon, and the latter stage is slight cyclic softening. As a whole,the material strength and fatigue properties are improved. With the increase of the axial displacement, the stress amplitude increases and the cyclic hardening rate linearly decreases. The hysteresis loop is smooth and full, and the energy dissipation capacity of the material is stable. The fatigue fracture section is divided into crack source zone, crack propagation zone and crack transient fracture zone, and thus it is a typical fatigue fracture section. The obtained fatigue life prediction equation can provide important reference for the fatigue analysis and life evaluation of steel structures made of Q345.

Q345; butt joint; weld seam; low cycle fatigue life; finite element analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.018

2017-01-16. 作者簡介: 周艷春(1990—)，女，碩士生；李愛群(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，aiqunli@seu.edu.cn.

國家自然科學基金重點資助項目(51438002)、國家自然科學基金資助項目(51278104)、中國博士后科學基金資助項目(2015M571641).

周艷春,李愛群,方釗,等.Q345鋼對接接頭低周疲勞性能試驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(4):738-742.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.018.

TU318.1

A

1001-0505(2017)04-0738-05