海洋工程用鋼疲勞壽命與CTOD 值關(guān)系的研究*

余 立 苗張木 馬 濤 冷曉暢

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (上海外高橋造船有限公司2) 上海 200137)

海洋工程用鋼強度高、厚度大的特點決定了疲勞性能和韌性會成為該領(lǐng)域所用鋼材的2 個關(guān)鍵參數(shù)[1].本文選用在海工行業(yè)中具有代表性的的EQ70 作為研究對象,對該鋼種進行了全厚度的V 裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗和4 點彎曲疲勞試驗,分別得出了反映韌度指標(biāo)的CTOD 值和反映疲勞性能的對數(shù)疲勞壽命值,并得出了這2 個值之間的聯(lián)系.

1 材料參數(shù)

試驗所用母材是由日本住友金屬工業(yè)株式會社鹿島制鐵所提供,供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)鋼,規(guī)格為AB 級EQ70.厚度為60 mm.主要力學(xué)性能(常溫):σs=780 MPa,σb=829 M Pa,屈強比k =0.96,E=210 G Pa,μ=0.3.

2 CT OD 試驗

2.1 試樣的制備

試樣的截取、制備是按規(guī)范NS-EN10225-2001[2]和BS7448—1[3]進行.為了使CTOD 值能夠準(zhǔn)確地反映鋼板的整體韌性,試樣厚度應(yīng)盡可能接近原始鋼板的厚度.另外,由于海工結(jié)構(gòu)鋼板厚度大,如果按照規(guī)范如GB2649—1989,用沖擊韌性來反映鋼板的整體韌性,則要將厚度為60～100 mm 的鋼板,沿厚度方向取3 個小的標(biāo)準(zhǔn)試樣(10 mm ×10 mm ×55 mm)來測量.從力學(xué)角度看,這是把厚板材料原本所處的3 向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為平面應(yīng)力狀態(tài),然后再測量沖擊韌性.這樣會導(dǎo)致較大誤差,并且是偏于危險的[4-5].因此,本文用CTOD 值來反映海工結(jié)構(gòu)厚板的韌度是科學(xué)的.

2.2 實驗過程

試樣主要步驟如下:試驗前對荷載、位移測量系統(tǒng)進行標(biāo)定;放入試樣后確定F-V 曲線斜率;加載、記錄F-V 曲線、卸載;對實驗后載荷、位移進行標(biāo)定;二次疲勞、壓斷試樣;斷口讀數(shù)測量a0及a;對數(shù)據(jù)和斷口進行有效性檢驗.試驗是在低溫槽中進行,試驗溫度為-10 ℃.由于溫度對材料韌度的影響很大,為了滿足BS7448—1 中試驗的保溫要求,試驗前將試樣放在保溫槽中保溫26 min 以上,保溫介質(zhì)為無水酒精.根據(jù)實驗中測的數(shù)據(jù),按下式計算CTOD 值.

式中:δ為裂紋尖端張開位移(C TOD);F 為施加的載荷;S 為3 點彎曲試樣的跨度;B 為試樣厚度;W 為試樣寬度;υ為泊松比;E 為彈性模量;a0為原始裂紋長度;f 為3 點彎曲試樣(a0/W)的函數(shù);V p 為裂紋嘴張開位移的塑性分量;σs 為材料的屈服強度;Z 為刀口厚度.

2.3 試驗結(jié)果和有效性檢驗

有效性試樣尺寸和特征CTOD 試樣參數(shù)見表2.

表2 EQ70 高強鋼CTOD 試樣參數(shù)及其CTOD 值(-10℃)

從表2 可以看出,雖然母材為同一種鋼材,但是其韌度值的離散型較大,這和疲勞壽命的離散型有一定的相似,但是具體原因是否是由于材料本身性能因素的影響還需要進一步的做對比性的疲勞試驗.

3 疲勞試驗

3.1 試樣的制備

為了盡量避免鋼材在軋制過程中的不均勻?qū)嶒灁?shù)據(jù)的影響,本文的疲勞試樣是從CTOD 試驗壓斷試樣上取得,稱壓斷試樣為母塊,從壓斷試樣上取下的小試樣為子塊.同時本文考慮到海洋工程用鋼鋼板很厚,從力學(xué)角度來看鋼板處于平面應(yīng)變狀態(tài),在厚度方向同樣存在平面應(yīng)力向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)化的問題,為了客觀的反映海工結(jié)構(gòu)的實際受力狀況,本文沒有采用圓棒或者薄板等傳統(tǒng)的疲勞標(biāo)準(zhǔn)試樣,而是將試件在CTOD 試驗壓斷試樣的基礎(chǔ)上從截面一分為4 加工成同樣滿足寬厚比(W/B)為2 的的矩形疲勞標(biāo)準(zhǔn)試樣,其尺寸為240 mm ×40 mm ×20 mm.同時,C TOD 編號和疲勞試樣編號(均為截面圖)對應(yīng)關(guān)系如圖1 所示,試塊下面的編號為母塊的編號,截面上的編號為疲勞試樣的編號.

圖1 疲勞試樣編號

此次疲勞試驗要研究的是同一級應(yīng)力幅下的不同試樣的橫向壽命的影響因素,由文獻[6]知道影響疲勞壽命的因素很多,例如幾何因素、表面狀況、平均應(yīng)力、溫度等.文獻[7]的研究又進一步證明影響疲勞壽命的關(guān)鍵2 個因素是材料的表面缺陷和材料的自身性能.因此本文在試驗滿足幾何因素、平均應(yīng)力、溫度等因素一致條件下,材料的表面因素和材料自身的性能則成為影響實驗的兩個關(guān)鍵因素,這恰恰也是文獻[7]中影響疲勞性能提到的關(guān)鍵影響因子.鑒于此次疲勞試驗的目的是研究材料自身的性能,為了在同一級應(yīng)力幅下使試件表面也達到一致的標(biāo)準(zhǔn),本文在取樣和加工時本文采取了以下的措施.

1)統(tǒng)一規(guī)定圖1 中箭頭所標(biāo)示的面為疲勞實驗的受拉面.因為箭頭所示的面是沒有進行二次機加工的表面,這樣避免機加工產(chǎn)生的二次殘余應(yīng)力.

2)在對壓斷試樣進行鋸斷、銑、磨等機加工時機器都向一個方向進刀,將機加工對試件分散性的影響減為最小.

3)對于疲勞試驗在同一應(yīng)力幅,試驗采用的是同樣橫截面位置的試件.因為同樣位置的試件在CTOD 試驗和二次機加工時受力的狀態(tài)是相同的.例如:1 號、5 號、9 號、13 號、17 號、21 號就將做同一個應(yīng)力級的疲勞試驗.

4)試件加工后依次用80 號、500 號、800 號、1000 號砂紙以及金相砂紙順著長度方向?qū)υ嚰砻孢M行打磨,每種砂紙的打磨次數(shù)不少于200次,從而大大的減少表面因素對實驗數(shù)據(jù)的影響.

3.2 實驗過程

疲勞試驗是在JXG-200 高頻疲勞試驗機上完成,采用四點彎曲加載.本文參照AS TM E606(04)[8]關(guān)于溫度的要求,試驗溫度控制在20 ℃,溫度的允許誤差為±2 ℃.

有研究表明,4 點彎曲疲勞試驗會受到契型應(yīng)力的影響.根據(jù)T.Zhai 文獻[5]中有限元研究結(jié)果表明當(dāng)上壓頭(主動加載的壓頭)的距離a、試樣的寬度W 、試樣的跨距S 滿足a/W ＜1.33,S/a=4.5 的關(guān)系時可以有效地降低契型應(yīng)力的影響.本文取a=36 mm,S=160 mm 使得a/W =0.9 ＜1.33,S/a=4.44 ≈4.5.

試件的名義應(yīng)力用下式計算

式中:B 為試件的厚度;P 為施加的載荷.

疲勞試驗將測試3 個不同應(yīng)力幅時材料疲勞壽命和韌度的關(guān)系.疲勞荷載為正弦交變荷載,平均值Fm=70 kN,最大動荷載分別為ΔF1=55 kN,ΔF2=59 kN,ΔF3=66 kN.各試件對應(yīng)的應(yīng)力級如表3 所列.

表3 試件應(yīng)力級安排

3.3 試驗結(jié)果

疲勞數(shù)據(jù)在下一節(jié)圖表給出,其中21 號試件在經(jīng)歷2×106次后仍然沒有出現(xiàn)裂紋,則21 號試塊視為無效試件.

4 對比試驗分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)的對比

為了便于疲勞壽命的分析,將子塊的平均壽命取對數(shù)處理.CTOD 值和不同應(yīng)力級下的對數(shù)疲勞壽命關(guān)系如表4 ～表6 所列.

表4 55 kN 級疲勞壽命與韌度值的比較

表5 59 kN 級疲勞壽命與韌度值的比較

表6 66 kN 級疲勞壽命與韌度值的比較

現(xiàn)將3 種應(yīng)力幅下的對數(shù)疲勞壽命和對應(yīng)母塊的C TOD 值之間的數(shù)據(jù)按照最小二乘法進行線性擬合,關(guān)系如圖2 所示.

由圖2 可見,對數(shù)疲勞壽命和C TOD 值擬合的關(guān)系可以用下面的式子來表示

式中:t 和k 分別為對數(shù)疲勞壽命和CTOD 值關(guān)系的待定系數(shù).其中:t為韌度和疲勞壽命的敏感系數(shù).將實驗數(shù)據(jù)代入上述方程求得待定系數(shù),并計算擬合方程與實驗數(shù)據(jù)的殘差,數(shù)據(jù)如表7所列.

圖2 對數(shù)疲勞壽命和CTOD 值的關(guān)系

表7 對數(shù)疲勞壽命和CTOD 值方程和殘差

從圖2 和表8 可以得出以下幾種規(guī)律:(1)3個母塊的韌度值的大小排列順序正好和相應(yīng)子塊疲勞壽命的大小排列順序相符合.即韌度越大,則在同一級載荷幅下疲勞壽命也越長,反之,韌性越小,則在同一級載荷幅下的疲勞壽命也越短;(2)對數(shù)疲勞壽命和CTOD 值之間存在一定的關(guān)系,在較高的疲勞應(yīng)力幅下(ΔF3=66 kN),對數(shù)疲勞壽命和材料的韌度值CTOD 值具有較好的線性,殘差僅為0.0042.在較低應(yīng)力幅下(ΔF1=55 kN和ΔF2=59 kN)兩者呈近似的線性關(guān)系,殘差分別為0.0411 和0.0563.即在疲勞應(yīng)力幅較大的時候,對數(shù)疲勞壽命和CTOD 之間的線性相關(guān)度更大;(3)在較高疲勞應(yīng)力幅下擬合方程的敏感系數(shù)t 較大,在較低疲勞應(yīng)力幅下敏感系數(shù)t 較小.這說明在高應(yīng)力幅情況下,疲勞壽命受材料韌性變化的影響更大.

4.2 對比試驗分析

通過以上的數(shù)據(jù)對比,本文認(rèn)為韌度值和疲勞壽命有這種聯(lián)系是跟裂紋產(chǎn)生的原因有關(guān).圖3 為CTOD 試驗示意圖,它反映了在施加靜載過程中裂紋開裂的過程,圖4 為施加疲勞載荷時疲勞裂紋產(chǎn)生的過程,當(dāng)應(yīng)力振幅不小于材料的疲勞極限時,在經(jīng)過一定循環(huán)周次后,金屬表面部分晶粒中開始出現(xiàn)滑移,隨著循環(huán)次數(shù)的增大,滑移變粗、變寬,部分滑移帶帶會成為駐留滑移帶(persistent slip band)[9].循環(huán)變形使得試樣表面變得粗糙,形成擠出脊(extrusion)和侵入溝(intrusion)(如圖4 a)).表面顯現(xiàn)的侵入溝處有很強的應(yīng)力集中,使滑移進一步加劇,從而向裂紋演化.從微觀上來看,一旦材料表面發(fā)生滑移并形成侵入溝,侵入溝相對于瞬間完成的一次疲勞加載也可以看作是CTOD 試驗施加靜載的過程,而這個過程從宏觀上來說是材料裂紋產(chǎn)生的過程(如圖4 b)),而滑移帶的形成是在最初幾千周次內(nèi)完成,這相對于試件的整個壽命來說只是很小的一個部分,這就可以解釋為什么在排除其他外界因素的干擾下,僅對材料的自身性能進行研究時,對數(shù)疲勞壽命和材料的韌性值CTOD 有較好線性關(guān)系,尤其是在疲勞載荷較大的時候,因為大的載荷可以更好的壓制其他因素對疲勞壽命的干擾.

圖3 CTOD 示意圖

圖4 疲勞啟裂過程

另外,根據(jù)文獻[10]所述,對于短壽命區(qū),即應(yīng)力幅較大的時候,疲勞壽命是遵循正態(tài)分布的.根據(jù)疲勞壽命和C TOD 值成線性關(guān)系,可以間接的推斷出該種材料的C TOD 值是服從正態(tài)分布的.

5 結(jié) 論

1)CTOD 值和對數(shù)疲勞壽命值存在一定關(guān)系,韌性越好(CTOD 值越大),其在同級疲勞載荷下的疲勞壽命也越長.

2)在高應(yīng)力幅的時候?qū)?shù)疲勞壽命和CTOD 值存在很好的線性關(guān)系,利用這個關(guān)系可以用少量的試驗量就能得到更多的材料參數(shù).

3)C TOD 值不但可以反映材料抵抗裂紋開裂的能力,而且可以反映材料抵抗裂紋產(chǎn)生的能力.

4)海洋工程用高強鋼在同種厚度、同種溫度下的C TOD 值是遵循正態(tài)分布的.

本文試驗對應(yīng)的數(shù)據(jù)是同一個母塊上取得,由于兩個實驗對試驗設(shè)備要求很高,CTOD 試驗和4 點彎曲疲勞試驗的關(guān)系式是在不同溫度和不同厚度的情況下得出,關(guān)于溫度和厚度分別對兩者關(guān)系的影響不能從關(guān)系式中分離出來,這一點還有待于進一步的研究.但是韌性和疲勞性能之間存在關(guān)系是可以確定的,并且這種關(guān)系為以后2 個值之間的相互參考甚至相互推導(dǎo)提供了試驗依據(jù).

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