劉乾坤，李光尚

（長安大學道路施工技術(shù)與裝備（教育部）重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

目前金屬結(jié)構(gòu)在我國橋梁、機械、工業(yè)和大型公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。疲勞是一種金屬結(jié)構(gòu)常見的損傷形式，在循環(huán)荷載作用下，金屬結(jié)構(gòu)通常會在應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴展直至結(jié)構(gòu)破壞，因此對其維護的重要性也顯得越來越突出[1]。疲勞裂紋引起的斷裂是一種災(zāi)難性破壞，由于它總是在先塑性變形后以極高的速度發(fā)生，因而會造成很大的損傷。低工作溫度和沖擊載荷會加劇這種情況，降低斷裂韌性，并可能導致脆性斷裂。因此，當在日常維護中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵金屬構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂紋時，需要用新的構(gòu)件代替裂紋構(gòu)件，以確保金屬結(jié)構(gòu)的安全。如果由于成本或停機時間限制而不能更換部件，則可能需要迅速的臨時修理，以允許部件安全地工作，直到可以安排更詳細的修理或更換[2]。

在不能及時更換新的金屬構(gòu)件，節(jié)約時間以及經(jīng)濟的情況下，延緩含有裂紋金屬結(jié)構(gòu)疲勞剩余壽命的方法研究是必要的。針對疲勞裂紋的問題，介紹以及分析比較了修復或者延緩疲勞裂紋擴展的方法、現(xiàn)狀及提出新的見解。

1 修復或者延緩疲勞裂紋擴展方法的現(xiàn)狀

1.1 裂紋填充

自從Elber在20世紀70年代開創(chuàng)性地研究了疲勞裂紋的閉合行為以來，人們進行了大量的嘗試來識別裂紋閉合機制。這些機制包括：塑性引起的閉合[3，4]、斷裂表面的粗糙度[5]、相變[6]、斷裂表面氧化[7]、裂紋內(nèi)滲透粘性流體[8]。裂紋填充方法是研究人員基于裂紋閉合效應(yīng)機制，在裂紋中引入人工聚合物，例如環(huán)氧樹脂、礦物油等，可能導致過早的裂紋閉合和隨后的裂紋延遲，利用這一概念來改進的裂紋擴展止裂方法。填充示意圖如圖1所示。其機理是通過人工滲透浸漬劑導致疲勞裂紋提前閉合，阻止或延緩疲勞裂紋的擴展。國內(nèi)外科研工作者和工程技術(shù)人員對裂紋填充修復的研究大多集中在陶瓷、牙釉質(zhì)等脆性材料以及混凝土裂縫修復方面，針對金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋延緩的理論研究和試驗并不多見。

圖1 裂紋填充原理示意圖

一般先通過無損探傷檢測，例如：射線照檢測、超聲檢測、磁粉檢測等檢測出微裂紋的所在之處，然后設(shè)法將延緩裂紋擴展的聚合物填充到裂紋尖端。裂紋填充方法的關(guān)鍵在于保證人工聚合物的完全滲透到裂紋尖端。針對金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂紋形態(tài)，可使用包括真空技術(shù)、加壓氮氣、氮碳共滲等不同的方法來獲得更優(yōu)的效果。當金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)貫穿裂紋時，可以借助真空技術(shù)使得裂紋尖端的滲透更加充分，如Shin和Hsu在緊湊拉伸C（T）試樣中嘗試用容器真空法將封閉材料如環(huán)氧樹脂滲入裂紋中，試驗表明過早的裂紋閉合按預(yù)期發(fā)生，并伴有裂紋延遲[9]。當金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面裂紋或深層裂紋時，可通過加壓氮氣、氮碳共滲等方法將浸漬劑滲透到裂紋尖端。如，Sheu等人在AISI 304不銹鋼三點彎曲試樣中，通過加壓氮氣方法分別滲透了氧化鋁水溶液、環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂的混合物。水溶性氧化鋁具有延緩裂紋生長的作用，環(huán)氧樹脂與0.5 μm氧化鋁的混合物表現(xiàn)出令人滿意的延緩疲勞裂紋擴展的性能[10，11]。陳程等人專門研究了有/無填充介質(zhì)對裂紋動態(tài)斷裂特性的影響，表明：沖擊載荷作用下運動主裂紋與預(yù)制缺陷貫通后，預(yù)制裂紋中有/無填充介質(zhì)影響次生裂紋的起裂位置、數(shù)量、起裂模式、起裂所需時間[12]。Song等人通過加壓氮氣將環(huán)氧樹脂混合物填充到裂縫中，能夠更好的促進裂紋的閉合，延長裂紋構(gòu)件的壽命[13]。Ai Li等人采用氣體氮碳共滲技術(shù)對42 CrMo鋼進行表面裂紋修復，結(jié)果表明氣體氮碳共滲后，裂紋被填充。同時，含有表面裂紋鋼的力學性能顯著恢復。在熱處理時效條件為760℃2 h，550℃4 h下進行修復，修復后試樣強度恢復63.68%[14]。另外，Hautakangas等人研究了在Al-Cu-Mg合金的裂紋缺陷中填充Cu，通過時效處理，達到缺陷修復的效果[15]。Walter等人將氮化硅進行氧化熱處理引入結(jié)構(gòu)表面裂紋，結(jié)果表明裂紋愈合，試樣的彎曲強度明顯得到改善，在改善機械可靠性具有明顯的潛力[16]。

1.2 焊接修復

焊接修復原理是通過沿裂紋路徑熔敷金屬、焊接材料或金屬補片來強化裂紋體。熔融材料在冷卻時起裂紋止裂作用，降低了裂紋擴展的驅(qū)動力，延緩或修復了疲勞裂紋的擴展。首先通過無損檢測確定微裂紋的位置，然后根據(jù)現(xiàn)實情況選取焊接方法，通過優(yōu)化焊接電流、焊接電壓、焊接速度等焊接工藝參數(shù)，采用相同或者同等強度的焊接材料修復含有裂紋的金屬構(gòu)件。示意圖如圖2所示。

圖2 焊接修復原理示意圖

在實際工作中，當金屬構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂紋，不能及時更換時，常用的焊接修復方法是氣體保護焊、激光焊、補焊、復合焊等。當需要減少時間、人力及財力方面的投入、提高焊接修復效率時，可以采用激光焊接。Pang M等采用激光焊接技術(shù)修復鑄造鎳基高溫合金K418，并研究了焊接后的組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，激光焊縫區(qū)主要包括樹枝狀Cr-Ni-Fe-C奧氏體固溶體，均勻分布的細小的Ni3（Al，Ti）Y′相，少量的針狀MC和分布在樹枝間的富Nb、Ti和Mo顆粒[17]。劉成來采用激光熔覆的方法實現(xiàn)了鈦合金飛機機匣裂紋的焊接修復，系統(tǒng)的研究了不同工藝參數(shù)對各種熔覆區(qū)微觀組織、常溫和高溫抗拉強度的影響，通過對比分析得到了激光熔覆焊接修復的最優(yōu)工藝[18]。邢如飛等人采用激光沉積修復對加工缺陷的TA15鈦合金進行修復實驗，結(jié)果表明退火態(tài)試樣的強度均高于鍛件基體，而塑性卻低于基體；固溶時態(tài)相較于退貨狀態(tài)，試樣抗拉強度均有明顯提高[19]。秦仁耀等采用激光熔化沉積技術(shù)對40 CrNiMoA高強鋼表面進行沉積修復，結(jié)果表明：經(jīng)激光熔化沉積高Co-Ni二次沉淀硬化合金鋼修復后，40 CrNiMoA高強鋼表面的耐磨損和耐腐蝕性能得到顯著提高[20]。林鑫等分析了激光成形修復Ti-6Al-4V合金的組織特點，并考察了退火處理對修復區(qū)組織及修復件性能的影響，結(jié)果表明修復件的綜合力學性能得到一定改善，塑性有所提高，經(jīng)采用退火+噴丸處理，修復件的低周疲勞性能達到與鍛件相當[21]。也可以使用傳統(tǒng)的氣體保護焊對疲勞裂紋進行焊補法修復。Mendez等提出了焊接修復不銹鋼過程中，大電流下熔池熔深和缺陷產(chǎn)生的原因，提出一個簡單模型來預(yù)測駝峰缺陷的發(fā)生和類型[22]。Zhang等研究了引入“軟＋硬”雙金屬焊接修復對鋼焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能得影響，結(jié)果表明提高了鋼焊接結(jié)構(gòu)得抗疲勞性能，提高了焊接質(zhì)量[23]。李丹等采用CO2氣體保護焊對不同厚度的Q345B鋼板進行對接試驗，隨著板厚增加，焊縫平均顯微硬度增高，焊縫區(qū)層間硬度波動增加，其填充層顯微硬度最高[24]。杜寶帥等研究CO2氣體保護焊對Q460鋼焊接接頭的影響，結(jié)果表明焊接接頭熱影響區(qū)表現(xiàn)出較好的沖擊韌性[25]。當受力關(guān)鍵部分的裂紋和裂紋較集中不宜采用上述方法修復的部位，也可用補片修復。Ayatollahi等研究了復合補片對傾斜中心裂紋在Ⅰ型和Ⅱ型加載條件下斷裂行為的影響，結(jié)果表明，在混合加載條件下，模態(tài)混合、貼片厚度、薄膜膠粘劑性能等參數(shù)對裂紋尖端參數(shù)及修復試樣的斷裂強度均有顯著影響[26]。穆志韜等基于Abaqus軟件建立了金屬板裂紋復合材料補片修復結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用正交實驗考察了各補片參數(shù)對修復效果的影響，修補后靜強度為未修復裂紋板的1.32倍，延伸率為未修復裂紋板的2.24倍[27]。

綜上，國內(nèi)外焊接修復方法的理論研究及試驗方法都得到了較好的發(fā)展，從氬弧焊、補焊等傳統(tǒng)的焊接方法，發(fā)展到激光焊、復合焊等新技術(shù)，以及改進焊接方法來滿足工程及生產(chǎn)的需求。但預(yù)防和解決焊接修復所帶來的不利影響的研究還是一個需要努力的方向。

1.3 鉆孔止裂

當疲勞裂紋產(chǎn)生后，裂紋尖端處存在較大的應(yīng)力集中，在外載荷的循環(huán)作用下形成一個塑性區(qū)。隨著塑性變形不斷積累，塑性區(qū)出現(xiàn)逐漸的形成許多微裂紋，從而在裂紋尖端部位形成損傷區(qū)，導致裂紋不斷擴展。鉆孔止裂的原理是通過在裂紋尖端附近進行鉆孔，削除裂紋尖端的塑性區(qū)，改善因循環(huán)載荷作用下在裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中，起到延緩結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展的效果[28]。一般通過無損探傷檢測確定微裂紋的位置和長度，在裂紋端外順其可能的擴展方向（0.5~1.0）t處鉆孔（t為金屬構(gòu)件的板厚），止裂孔的直徑約為1.0 t.其原理如圖3所示。

圖3 鉆孔止裂原理示意圖

鉆孔止裂技術(shù)一般可以分為三大類：裂紋尖端止裂孔（SDH）、偏轉(zhuǎn)SDH和裂紋側(cè)面SDH。鉆孔止裂技術(shù)的止裂效果取決于疲勞裂紋在止裂孔邊緣的再生壽命，止裂孔的形狀及位置將直接影響疲勞裂紋的再生壽命。

何云樹等認為當航空器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋損傷時，采用5.57~7.14 mm直徑的止裂孔止裂效果較好，當止裂孔直徑為6.35 mm時，止裂效果最好[29]。袁周致遠等通過數(shù)值分析，對比了圓形孔、橢圓孔、腰型孔和M孔4種不同形狀止裂孔的止裂效果，得出腰型孔具有最佳的止裂效果[30]。Ayatollahi等人研究了在復合模式加載條件下兩種止裂線形式對疲勞壽命擴展的影響，研究表明雙止裂孔形式與單止裂孔相比取得了較好的止裂效果，當兩止裂孔圓心距與孔直徑比為0.75時，止裂效果最好[31-33]。杜洪增等人通過試驗以及有限元分析的方法分析比較了普通止裂孔和冷擴充并植入鉚釘?shù)姆椒▽︿X合金試樣的止裂效果，結(jié)果表明，冷擴充植入鉚釘?shù)姆椒ň哂休^好的止裂效果[34]。孔璞萍等采用碳纖維復合材料（CFRP）加固止裂孔的方法對裂紋進行復合修復，結(jié)果表明：采用CFRP止裂孔復合修復的試件不僅消除了裂紋尖端的奇異性，抑制了裂紋的持續(xù)擴展，而且其承載能力也得到加強[35]。綜上，國內(nèi)外學者對鉆孔止裂及相關(guān)技術(shù)進行了比較深入和詳細的研究，大多以試驗為主，所采用的研究材料亦非我國工程常用的鋼材，對鉆孔止裂及相關(guān)技術(shù)的理論研究較少。我國針對鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋鉆孔止裂修復采用鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范CECS77：96，對于鋁合金、鈦合金等其他金屬結(jié)構(gòu)沒有明確的技術(shù)規(guī)范以及理論研究。

2 現(xiàn)有修復、延緩疲勞裂紋擴展方法對比分析

裂紋填充、焊接修復、鉆孔止裂等研究方法均可以達到延緩金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展的效果。從結(jié)構(gòu)性能來說，裂紋填充和焊接修復方法在不破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況下，就可以完成含裂紋構(gòu)件的修復，達到延緩裂紋擴展的目的，而鉆孔止裂方法雖然操作簡單，能夠快速延緩疲勞裂紋的擴展，但是也會過多的削弱截面的承載力，不利于結(jié)構(gòu)受力；從修復效果來講，當確定裂紋位置時，采用焊接方法能快速有效且有保證的完成裂紋或類裂紋的修復，而裂紋填充方法不能保證填充物完全有效的填充到裂紋尖端。當裂紋尖端塑性區(qū)沒有完全去除時，鉆孔止裂方法也可能達不到延緩裂紋擴展的理想效果。各方法優(yōu)缺點如下：

（1）裂紋填充方面，雖然在不破壞結(jié)構(gòu)性能的前提下能夠有效地延緩或阻止疲勞裂紋的擴展，但是針對于微裂紋的填充需要先進的材料保障和技術(shù)保障，可能修補微裂紋的經(jīng)濟耗費遠超過結(jié)構(gòu)零件的本身更替；其次，裂紋填充的止裂效果取決于填充物的性質(zhì)以及填充物是否有效地滲透到疲勞裂紋的尖端，填充物滲透到裂紋尖端的深度又取決于填充時的在載荷水平及填充方法，因此，止裂效果存在不確定性；

（2）焊接修復方面，雖然通過激光焊、氬弧焊能快捷方便的修補金屬結(jié)構(gòu)中已有的疲勞裂紋，但是容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力、應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆等副產(chǎn)物，降低含微裂紋金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性能，使得使用壽命降低[36]；

（3）鉆孔止裂修復方面，止裂孔消除了尖銳裂紋尖端以及相關(guān)的應(yīng)力奇異性。此外，止裂邊緣的殘余壓應(yīng)力會延遲疲勞裂紋的再次萌生，并抑制隨后的裂紋擴展。然而，在實際應(yīng)用中，可能無法精確地定位裂紋尖端。即使能夠精確定位，這種類型的修復也需要仔細檢查，以確保裂紋尖端的徹底去除。另外，在壓力管道、儲罐和壓力容器中引入止裂是不適用的，因為它會導致泄漏[36]。

3 結(jié)語與展望

隨著金屬結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，作用于構(gòu)件的載荷、環(huán)境等因素的變化是十分復雜的，不可避免的會出現(xiàn)疲勞裂紋或類裂紋缺陷的問題。文中介紹了焊接修復、裂紋填充、鉆孔止裂等延緩疲勞裂紋的方法及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時分析比較了各自的優(yōu)缺點，在不能及時更換新的構(gòu)件下，能夠保證生產(chǎn)以及工程的運行。

但是，目前延緩疲勞裂紋擴展或者修復的研究主要集中于研究方法的單一性，很少同時考慮多個方法的綜合影響，也過少考慮延緩方案所帶來的不利影響。因此，可從以下幾個方面入手拓展研究：（1）應(yīng)改進創(chuàng)新出新的修復工藝、參數(shù)、材料等，同時力爭與工業(yè)先進技術(shù)相結(jié)合，達到延緩疲勞裂紋擴展的目的；（2）結(jié)合實際情況，考慮作用于金屬構(gòu)件的環(huán)境、載荷、裂紋的大小、位置等相關(guān)因素，通過試驗數(shù)據(jù)與理論計算、數(shù)值模擬、ANSYS等仿真軟件相結(jié)合的方法，嘗試校正影響疲勞裂紋擴展與之相關(guān)的因素參數(shù)，同時試圖將多種延緩方法綜合起來，充分利用各自的優(yōu)勢，相互補充、相互完善，達到滿足延緩或修復多類型、多種情況下金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展的最佳效果。這是國內(nèi)外科研工作者以及工程技術(shù)人員待以研究的方向；（3）如何預(yù)防及解決達到延緩疲勞裂紋擴展目的之后方法所帶來的不利影響，也是一個待以研究的問題。