尚金瑞

摘 要：針對港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的受力方式及裂紋特性和國內(nèi)甚少研究Q345B鋼材質(zhì)焊縫處疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的現(xiàn)狀，制作了Q345B的非標(biāo)準(zhǔn)箱型試件，并在焊縫處預(yù)制初始裂紋，將試件置于MTS810材料試驗機(jī)上開展疲勞裂紋擴(kuò)展實驗，所獲實驗數(shù)據(jù)可用于Q345B焊縫處裂紋疲勞擴(kuò)展參數(shù)的確定，填補(bǔ)了我國在這一研究領(lǐng)域的空白。

關(guān)鍵詞：非標(biāo)準(zhǔn)箱型試件 焊縫裂紋 疲勞擴(kuò)展 實驗 數(shù)據(jù)

實驗?zāi)康?/p>

疲勞裂紋擴(kuò)展實驗是研究裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及獲取材料疲勞擴(kuò)展參數(shù)和斷裂參量的重要途徑。長期以來，許多學(xué)者通過疲勞裂紋擴(kuò)展實驗對港口起重機(jī)常用鋼材Q235和Q345B的疲勞擴(kuò)展特性進(jìn)行了深入研究，這些研究一般均是針對Q235和Q345B母材的疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行探討，當(dāng)裂紋出現(xiàn)在焊縫處或近焊縫區(qū)域時，傳統(tǒng)上也以母材的疲勞特性參數(shù)對裂紋的安全性和疲勞壽命進(jìn)行評估。然而，由于焊條和母材的熔融，焊縫區(qū)域的材質(zhì)已經(jīng)與單獨的母材有所區(qū)別，僅僅用母材的疲勞擴(kuò)展參量代替焊縫區(qū)域的疲勞特性是不夠準(zhǔn)確的，因此，有必要對焊縫區(qū)域裂紋的疲勞擴(kuò)展規(guī)律開展實驗研究，以獲得更為準(zhǔn)確的疲勞擴(kuò)展參量。

從圖上可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展可分為以下三個階段：區(qū)域Ⅰ：裂紋萌生階段；區(qū)域Ⅱ：裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段；區(qū)域Ⅲ：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

斷裂力學(xué)中用經(jīng)驗公式對裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行描述，常用的疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式有Paris冪函數(shù)式、Forman公式、Walker公式等，其中Paris冪函數(shù)式表達(dá)式如下：

由于港口起重機(jī)帶裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要取決于其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展壽命，因此疲勞裂紋擴(kuò)展實驗重點研究裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的疲勞特性。上述3個公式均可以描述第Ⅱ區(qū)域的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，但由于Forman公式和Walker公式中某些參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，因此選用應(yīng)用最為廣泛的Paris冪函數(shù)式進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實驗的研究。

實驗步驟

將試件置于MTS810材料試驗機(jī)上，調(diào)整兩端支座位置，使試件處于水平狀態(tài)，并保證載荷施加位置通過兩個支座中心距的中線；同時，試件長度方向應(yīng)與兩個支座的連線方向平行。

疲勞預(yù)制裂紋尖端。取應(yīng)力比R=0.1，頻率f=12HZ，對機(jī)加工后的裂紋進(jìn)行銳化處理。實驗載荷采用正弦波形式的恒幅載荷，以屈服應(yīng)力估算試件加載處的許用載荷[P]，初始的預(yù)加載荷峰值可選取（1/4～1/3）[P]。疲勞預(yù)制裂紋過程中，可逐級下降實驗載荷峰值，每一級下降不超過20%，待觀測到裂紋可以穩(wěn)定擴(kuò)展之后，停止下降載荷。一段時間后，若觀察到裂紋已經(jīng)向前擴(kuò)展，且出現(xiàn)尖角時，停止疲勞預(yù)制裂紋，測量此時的裂紋長度a0，并將其作為裂紋擴(kuò)展的初始長度。

在計算機(jī)上設(shè)置控制參數(shù)，開始疲勞擴(kuò)展實驗。保持應(yīng)力比R和頻率f不變，以疲勞預(yù)制裂紋最后一級的恒幅載荷作為疲勞裂紋擴(kuò)展的實驗載荷，開始加載實驗。

測量裂紋擴(kuò)展長度a及對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N0。在裂紋位置滴加墨水，實驗過程中當(dāng)觀察到墨水印痕有明顯延伸現(xiàn)象時，表明裂紋已出現(xiàn)擴(kuò)展，此時測量并記錄a和N0值。由于裂紋前緣深度（沿下翼板厚度方向）較小，可認(rèn)為裂紋前緣各點沿深度方向的坐標(biāo)是一致的，為測量方便，以表面裂紋的擴(kuò)展長度作為所測實驗數(shù)據(jù)。

重復(fù)上述步驟，記錄多組裂紋擴(kuò)展長度和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

當(dāng)裂紋尖端快到達(dá)下翼板邊緣或試件出現(xiàn)疲勞破壞時，結(jié)束實驗。

實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理

在實驗過程中，裂紋位置位于角焊縫處的兩個試件均未發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，由此說明承受拉彎作用的箱型結(jié)構(gòu)角焊縫處的裂紋是偏安全的。

同時，實驗觀察到在對接焊縫處預(yù)制裂紋的試件會發(fā)生逐步擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展方向沿著焊縫方向，形成比較明顯的I型裂紋。

本次分別對兩個含有對接焊縫裂紋的試件（1#和2#）進(jìn)行了疲勞擴(kuò)展實驗。

實驗過程中，由于外界環(huán)境的干擾，會產(chǎn)生個別誤差較大的數(shù)據(jù)點，有兩個點均偏離其它點較遠(yuǎn)，因此，在進(jìn)行線性擬合時應(yīng)去除。利用數(shù)值分析工具對去除大誤差點之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可分別獲得一個線性回歸方程。

通過對樣本數(shù)據(jù)的線性擬合，可以分別得到1#、2#試件數(shù)據(jù)的回歸方程：

（作者單位：日照港集團(tuán)嵐山港務(wù)有限公司）endprint