霍立兴张玉凤等
文章编号!\"##$%\"&’()’##&*\"\"%#+,,%#&
两种工程结构用钢疲劳裂纹扩展速率的试验研究
贾法勇
霍立兴
张玉凤
荆洪阳
摘要!对工程结构用钢’#1#,%4焊缝和热影响区的疲劳裂-./023
纹扩展速率进行了试验研究5试验采用6用七点递增多项式法求7试样8与)并分别将焊缝和热影响区同一组多个试样的));89:9<*>?*>?*===和
试验中得到了’#);-./0疲劳9:9<*=数据点合在一起进行整体回归分析5裂纹扩展速率的斜率转折点8分别测出了平面应变区和平面应力区的@ABCD
表达式5试验分析说明8以平面应变性质为基础的@表达式应用于实际贾法勇ABCD工程结构较为安全5
关键词!工程结构E疲劳裂纹扩展速率E焊缝E热影响区中图分类号!#37F$
文献标识码!2
博士研究生
在工程结构和机械设备中8疲劳破坏的现象极为广泛8据统计有3#HI+#H的机械结构的破
\"K
坏属于疲劳破坏J5疲劳裂纹扩展速率是决定构件疲劳行为的重要特征参量8在评估结构的安全性1可靠性以及失效分析和寿命等方面有着重要的意义5根据实际工程结构的需要8我们对两种工程结构用钢’##,%4焊缝及热影响-./0和23
区的疲劳裂纹扩展速率进行了试验研究5
’K
\"试样制备J
’疲劳裂纹扩展速率);9:9<*试验
UYL试验程序
疲劳裂纹扩展试验用于确定@公式9;ABCD:
\\
值5原理如1)[\\*9 );Z]_\\])]^9:9<*^[^>?* 在双对数坐标系中取 Z])‘^>?*Z]);a^9:9<* 试验采用标准6紧凑拉伸*试样5其型式7) 和尺寸见图\"8’##,%4的力学性能-./0和23分别见表\"表’15 表L’#-./0焊接接头基本力学性能 抗拉强度MN屈服强度MD延伸率O断面收缩率)*-@A3’# )*-@A$$# )H*&# )H*PST 冲击功Q )*R\"’S8\"&’8\"&&如能求出一组)再;8>?*9:9<*=和对应的)= 利用线性回归绘制一条曲线8此曲线的斜率即为 代入上式就可以求得[5\\8 试验是在红山\"#bc高频疲劳试验机上进行5及相应的载荷在试验过程中8逐一记录裂纹长度:= 循环次数<=其中裂纹长度:#5=采用放大倍数为3倍的读数显微镜监测5载荷循环次数<=由试验机自动显示5试验时应力比dZ#加载频率为Y\"8 焊缝和热影,3/e8’#-./0最大载荷为3Y,#bc8响区的有效试样都为\"件E$23#,%4最大载荷为TY3#bc8焊缝和热影响区的有效试样分别为+件 和S件5试验中观察到8焊缝有效试样中裂纹扩展基本沿着焊逢中心8穿透裂纹与试样对称平面的偏离均小于3热影响区有效试样中裂纹扩展基本沿fE着热影响区中心8没有超出热影响区5UYU试验数据的处理及结果分析’Y’Y\"试验数据的处理 表U23#,%4焊接接头基本力学性能 抗拉强度MN屈服强度MD延伸率O断面收缩率冲击功Q)*-@AT3#IT+# )*-@A3&#I33# )H*’TI&# )H*PT,IS$ )*RV’## 试验前在试样焊缝和热影响区中心分别开出\"’WW 的机械缺口8并在缺口尖端预制’X3WW的疲劳裂纹5 图L6紧凑拉伸*试样7) 以裂纹长度:为纵轴8载荷循环次数<为横 轴8将’##,%4焊缝和热影响区各-./0和23 收稿日期!’##’G#&G’’ 试样分别绘成:%<曲线5 在:采用了F%<曲线的基础上8T&+,%,Tg h,\"h 和美国试验与材料学会!推荐的七点递增\"#$%&多项式法求取疲劳裂纹扩展速率!)+)’(’*&’(-由标’*对应的裂纹尖端应力强度因子范围,准紧凑拉伸试样应力强度因子公式确定.将/00567焊缝和热影响区同%123和\"4一组的多个试样的!),-&’(’*&8和!8数据点合在一起进行整体回归分析+即将,)-和!’(’*&分别取对数+绘制在以9为横轴=:;!:;<,-&><为纵轴的双对数坐标图上+如图/!)?图4’(’*&所示+然后对图中数据用最小二乘法作线性回归 Z5/Z 裂纹扩展速率试验结果 材料 部位 F G FH FI 焊缝 平面应变区/S00TU06UKKSO5KSU0TU06UKUSK0TU06UK/0%1R平面应力区/SV4TU06U0US5OKSVMTU06U0USNKTU06U023热影平面应变区MS5OTU06UKKSM0OSO0TU06UKVS5UTU06UK响区平面应力区USKUTU06U0/S05USM4TU06U0US0VTU06U0\"405焊缝US4MTU06UU/SM0/S0OTU06UUUSUNTU06UU67 热影响区 4S0VTU06UU/S/VMSV0TU06UUKSONTU06UU两种工程结构用钢疲劳裂纹扩展速率的试验研究jj贾法勇 霍立兴张玉凤等 焊缝的!#\"!$% 焊缝试样裂纹扩展速率的斜率转折点为&’ #2 热影响区裂纹扩展速率的斜()*+*),-/013. #2 率转折点为&1+45/01%’(),-. 用-公式表达的;4627*5<=焊缝裂纹.89: 测定转折点以及转折点两侧的斜率3对精确估算结构疲劳寿命3具有实际意义% 可以忽略平6A7在工程结构的实际应用中3 面应力区%这是因为在焊接接头中3由于疲劳裂纹经常为埋藏裂纹或表面裂纹3因此平面应变状态的断裂占其疲劳寿命的主要部分3而平面应力断从安全角度出裂所占寿命部分比例有限%另外3 发3假如把平面应变时的6#<&!\"!$7’关系应用于平面应力部分3其结果稍偏于安全%因此以平面应变性质为基础的-裂纹扩展速率定律能.89: 扩展速率!#\"!$与&’关系式为 <112+>* #+4>?1*6!\"!$(1&’7 相应的热影响区的关系式为@ <112+2A#+*A?1*66!\"!$(4&’7 *5<=疲劳裂纹扩展速率的斜率转折点;4 不明显%当&’B24+CC,-./01#2 时3热影响区的!\"#!$略快于焊缝的!\"#!$D当&’E 24FCC,-./01#2 时3焊缝的!\"#!$略快于热影 响区的!\"#!$% 6)7从试验结果中可以看到32*,GHI裂纹 扩展速率第一段直线6JK7部分3是平面应变条件下的裂纹扩展3占主导地位D而第二段直线6KL7部分3则相当于平面应力断裂3平面应变区与平面应力区有明显的斜率转折点%这种形式的关系只是当试样充分的薄而在最后破坏之前3平面应力 条件允许松弛时才能得到MAN% 在裂纹尖端3平面应变情况下的塑性区比平面应力情况下的塑性区小得多%应力状态影响塑性区尺寸3而另一方面3塑性区尺寸又影响应力状态%当塑性区尺寸与板厚相当时3在板厚方向可以自由屈服3形成平面应力状态D如果塑性区很小3则厚度方向就不能自由屈服3由于周围弹性材料的约束3使厚度方向塑性变形保持为零%其结果是3小塑性区处在平面应变下3而大塑性区将促进 平面应力的发展M4N% 对应力状态来说3塑性区尺寸与厚度之比是一个重要的系数%如果塑性区尺寸与厚度同数量级3则平面应力得以发展3如果塑性区尺寸大大小于板的厚度3则处于平面应变状态%由于塑性区尺寸正比于’2 O #P2: 6’O为材料的断裂韧度3P:为材料 的屈服强度73 所以3在相同的应力强度下3高的屈服应力将给出一个小的塑性区3而低的屈服应力 将给出一个大的塑性区M4N % 本试验中2*,GHI和;4*5<=的试样型式是相同的3但力学性能有差别%2*,GHI的屈服应力较低3随着应力强度的增加3当&’达到一定值后3裂纹尖端塑性区尺寸增大3成为平面应力状态%而;4*5<=的屈服应力较高3其裂纹尖端塑性区尺寸较小3处于平面应变状态%还有其它因素的共同影响3所以本试验中只测出了2*,GHI裂纹扩展速率的斜率转折点% 够安全地应用M)N % )结论 试验得到的2*,GHI焊缝平面应变区间和 热影响区平面应变区间的-.89:表达式Q;4*5<=焊缝和热影响区的-.89:表达式3 不但具有一定的理论意义3而且可以用来指导有关结构的选材和设计3应用于实际的机械工程结构具有一定的安全性% 参考文献@ M1N程育仁3 缪龙秀3侯炳麟+疲劳强度+北京@中国铁道出版社31CC2 M2NRS CAAT<55焊接接头疲劳裂纹扩展速率试验方法+M)N霍立兴+焊接结构的断裂行为及评定+北京@机械 工业出版社32***MAN RU8GVWXI+Y.Z9[UV\\]^V_!V!‘Z8UaZU8V: +b\\G!\\G@c.0d89![VeG9fV8:9ZW-8V:: 31CTCM4N布洛克g著+工程断裂力学基础+ 王克人3何明元3高桦译+北京@科学出版社31C5*6 编辑周本盛7作者简介@贾法勇3男31C>5年生%天津大学6 天津市)***T27 材料科学与工程学院博士研究生%主要研究方向为焊接结构断裂与强度%发表论文4篇%霍立兴3男31C)>年生%天津大学材料科学与工程学院教授Q博士研究生导师%张玉凤3女31CA2年生%天津大学材料科学与工程学院教授Q博士研究生导师%荆洪阳3男31C>>年生%天津大学材料科学与工程学院教授Q博士研究生导师% hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh 6上接第C5T页7 M4N戴振东3 杨生荣3王珉3等+微动磨损的热力学研究+南京航空航天大学学报32***3)2627@12>i1)1M>N周仲荣3 罗唯力3刘家浚+微动摩擦学的研究现状和发展趋势+摩擦学学报31CCT31T6)7@2T2i25* 6 编辑苏卫国7 作者简介@李红岩3女31CTA年生%西南交通大学6成都市>1**)17机械工程学院硕士研究生%研究方向为摩擦学及表面工程%刘捍卫3男31C44年生%西南交通大学材料科学与工程学院副教授Q博士研究生%周仲荣3男31C>4年生%西南交通大学材料科学与工程学院教授Q 博士研究生导师%/5)/ 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容