延緩金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的方法綜述

劉乾坤，李光尚

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備（教育部）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

目前金屬結(jié)構(gòu)在我國(guó)橋梁、機(jī)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(jiàn)的損傷形式，在循環(huán)荷載作用下，金屬結(jié)構(gòu)通常會(huì)在應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)破壞，因此對(duì)其維護(hù)的重要性也顯得越來(lái)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(huì)造成很大的損傷。低工作溫度和沖擊載荷會(huì)加劇這種情況，降低斷裂韌性，并可能導(dǎo)致脆性斷裂。因此，當(dāng)在日常維護(hù)中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵金屬構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂紋時(shí)，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(jī)時(shí)間限制而不能更換部件，則可能需要迅速的臨時(shí)修理，以允許部件安全地工作，直到可以安排更詳細(xì)的修理或更換[2]。

在不能及時(shí)更換新的金屬構(gòu)件，節(jié)約時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)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(duì)疲勞裂紋的問(wèn)題，介紹以及分析比較了修復(fù)或者延緩疲勞裂紋擴(kuò)展的方法、現(xiàn)狀及提出新的見(jiàn)解。

1 修復(fù)或者延緩疲勞裂紋擴(kuò)展方法的現(xiàn)狀

1.1 裂紋填充

自從Elber在20世紀(jì)70年代開(kāi)創(chuàng)性地研究了疲勞裂紋的閉合行為以來(lái)，人們進(jìn)行了大量的嘗試來(lái)識(shí)別裂紋閉合機(jī)制。這些機(jī)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(jī)制，在裂紋中引入人工聚合物，例如環(huán)氧樹(shù)脂、礦物油等，可能導(dǎo)致過(guò)早的裂紋閉合和隨后的裂紋延遲，利用這一概念來(lái)改進(jìn)的裂紋擴(kuò)展止裂方法。填充示意圖如圖1所示。其機(jī)理是通過(guò)人工滲透浸漬劑導(dǎo)致疲勞裂紋提前閉合，阻止或延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展。國(guó)內(nèi)外科研工作者和工程技術(shù)人員對(duì)裂紋填充修復(fù)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(fù)方面，針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋延緩的理論研究和試驗(yàn)并不多見(jiàn)。

圖1 裂紋填充原理示意圖

一般先通過(guò)無(wú)損探傷檢測(cè)，例如：射線(xiàn)照檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等檢測(cè)出微裂紋的所在之處，然后設(shè)法將延緩裂紋擴(kuò)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(duì)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?dú)?、氮碳共滲等不同的方法來(lái)獲得更優(yōu)的效果。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)貫穿裂紋時(shí)，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(shù)脂滲入裂紋中，試驗(yàn)表明過(guò)早的裂紋閉合按預(yù)期發(fā)生，并伴有裂紋延遲[9]。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面裂紋或深層裂紋時(shí)，可通過(guò)加壓氮?dú)?、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(diǎn)彎曲試樣中，通過(guò)加壓氮?dú)夥椒ǚ謩e滲透了氧化鋁水溶液、環(huán)氧樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物。水溶性氧化鋁具有延緩裂紋生長(zhǎng)的作用，環(huán)氧樹(shù)脂與0.5 μm氧化鋁的混合物表現(xiàn)出令人滿(mǎn)意的延緩疲勞裂紋擴(kuò)展的性能[10，11]。陳程等人專(zhuān)門(mén)研究了有/無(wú)填充介質(zhì)對(duì)裂紋動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響，表明：沖擊載荷作用下運(yùn)動(dòng)主裂紋與預(yù)制缺陷貫通后，預(yù)制裂紋中有/無(wú)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(shí)間[12]。Song等人通過(guò)加壓氮?dú)鈱h(huán)氧樹(shù)脂混合物填充到裂縫中，能夠更好的促進(jìn)裂紋的閉合，延長(zhǎng)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(duì)42 CrMo鋼進(jìn)行表面裂紋修復(fù)，結(jié)果表明氣體氮碳共滲后，裂紋被填充。同時(shí)，含有表面裂紋鋼的力學(xué)性能顯著恢復(fù)。在熱處理時(shí)效條件為760℃2 h，550℃4 h下進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后試樣強(qiáng)度恢復(fù)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(guò)時(shí)效處理，達(dá)到缺陷修復(fù)的效果[15]。Walter等人將氮化硅進(jìn)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(qiáng)度明顯得到改善，在改善機(jī)械可靠性具有明顯的潛力[16]。

1.2 焊接修復(fù)

焊接修復(fù)原理是通過(guò)沿裂紋路徑熔敷金屬、焊接材料或金屬補(bǔ)片來(lái)強(qiáng)化裂紋體。熔融材料在冷卻時(shí)起裂紋止裂作用，降低了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延緩或修復(fù)了疲勞裂紋的擴(kuò)展。首先通過(guò)無(wú)損檢測(cè)確定微裂紋的位置，然后根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況選取焊接方法，通過(guò)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(qiáng)度的焊接材料修復(fù)含有裂紋的金屬構(gòu)件。示意圖如圖2所示。

圖2 焊接修復(fù)原理示意圖

在實(shí)際工作中，當(dāng)金屬構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂紋，不能及時(shí)更換時(shí)，常用的焊接修復(fù)方法是氣體保護(hù)焊、激光焊、補(bǔ)焊、復(fù)合焊等。當(dāng)需要減少時(shí)間、人力及財(cái)力方面的投入、提高焊接修復(fù)效率時(shí)，可以采用激光焊接。Pang M等采用激光焊接技術(shù)修復(fù)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(shù)枝狀Cr-Ni-Fe-C奧氏體固溶體，均勻分布的細(xì)小的Ni3（Al，Ti）Y′相，少量的針狀MC和分布在樹(shù)枝間的富Nb、Ti和Mo顆粒[17]。劉成來(lái)采用激光熔覆的方法實(shí)現(xiàn)了鈦合金飛機(jī)機(jī)匣裂紋的焊接修復(fù)，系統(tǒng)的研究了不同工藝參數(shù)對(duì)各種熔覆區(qū)微觀(guān)組織、常溫和高溫抗拉強(qiáng)度的影響，通過(guò)對(duì)比分析得到了激光熔覆焊接修復(fù)的最優(yōu)工藝[18]。邢如飛等人采用激光沉積修復(fù)對(duì)加工缺陷的TA15鈦合金進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明退火態(tài)試樣的強(qiáng)度均高于鍛件基體，而塑性卻低于基體；固溶時(shí)態(tài)相較于退貨狀態(tài)，試樣抗拉強(qiáng)度均有明顯提高[19]。秦仁耀等采用激光熔化沉積技術(shù)對(duì)40 CrNiMoA高強(qiáng)鋼表面進(jìn)行沉積修復(fù)，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(fù)后，40 CrNiMoA高強(qiáng)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(fù)Ti-6Al-4V合金的組織特點(diǎn)，并考察了退火處理對(duì)修復(fù)區(qū)組織及修復(fù)件性能的影響，結(jié)果表明修復(fù)件的綜合力學(xué)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(fù)件的低周疲勞性能達(dá)到與鍛件相當(dāng)[21]。也可以使用傳統(tǒng)的氣體保護(hù)焊對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行焊補(bǔ)法修復(fù)。Mendez等提出了焊接修復(fù)不銹鋼過(guò)程中，大電流下熔池熔深和缺陷產(chǎn)生的原因，提出一個(gè)簡(jiǎn)單模型來(lái)預(yù)測(cè)駝峰缺陷的發(fā)生和類(lèi)型[22]。Zhang等研究了引入“軟＋硬”雙金屬焊接修復(fù)對(duì)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(hù)焊對(duì)不同厚度的Q345B鋼板進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)，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(dòng)增加，其填充層顯微硬度最高[24]。杜寶帥等研究CO2氣體保護(hù)焊對(duì)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(dāng)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(fù)的部位，也可用補(bǔ)片修復(fù)。Ayatollahi等研究了復(fù)合補(bǔ)片對(duì)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(duì)裂紋尖端參數(shù)及修復(fù)試樣的斷裂強(qiáng)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(fù)合材料補(bǔ)片修復(fù)結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用正交實(shí)驗(yàn)考察了各補(bǔ)片參數(shù)對(duì)修復(fù)效果的影響，修補(bǔ)后靜強(qiáng)度為未修復(fù)裂紋板的1.32倍，延伸率為未修復(fù)裂紋板的2.24倍[27]。

綜上，國(guó)內(nèi)外焊接修復(fù)方法的理論研究及試驗(yàn)方法都得到了較好的發(fā)展，從氬弧焊、補(bǔ)焊等傳統(tǒng)的焊接方法，發(fā)展到激光焊、復(fù)合焊等新技術(shù)，以及改進(jìn)焊接方法來(lái)滿(mǎn)足工程及生產(chǎn)的需求。但預(yù)防和解決焊接修復(fù)所帶來(lái)的不利影響的研究還是一個(gè)需要努力的方向。

1.3 鉆孔止裂

當(dāng)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(gè)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(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展。鉆孔止裂的原理是通過(guò)在裂紋尖端附近進(jìn)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(kuò)展的效果[28]。一般通過(guò)無(wú)損探傷檢測(cè)確定微裂紋的位置和長(zhǎng)度，在裂紋端外順其可能的擴(kuò)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(lèi)：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(shù)等認(rèn)為當(dāng)航空器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋損傷時(shí)，采用5.57~7.14 mm直徑的止裂孔止裂效果較好，當(dāng)止裂孔直徑為6.35 mm時(shí)，止裂效果最好[29]。袁周致遠(yuǎn)等通過(guò)數(shù)值分析，對(duì)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(fù)合模式加載條件下兩種止裂線(xiàn)形式對(duì)疲勞壽命擴(kuò)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(dāng)兩止裂孔圓心距與孔直徑比為0.75時(shí)，止裂效果最好[31-33]。杜洪增等人通過(guò)試驗(yàn)以及有限元分析的方法分析比較了普通止裂孔和冷擴(kuò)充并植入鉚釘?shù)姆椒▽?duì)鋁合金試樣的止裂效果，結(jié)果表明，冷擴(kuò)充植入鉚釘?shù)姆椒ň哂休^好的止裂效果[34]?？阻逼嫉炔捎锰祭w維復(fù)合材料（CFRP）加固止裂孔的方法對(duì)裂紋進(jìn)行復(fù)合修復(fù)，結(jié)果表明：采用CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)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(kuò)展，而且其承載能力也得到加強(qiáng)[35]。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆孔止裂及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了比較深入和詳細(xì)的研究，大多以試驗(yàn)為主，所采用的研究材料亦非我國(guó)工程常用的鋼材，對(duì)鉆孔止裂及相關(guān)技術(shù)的理論研究較少。我國(guó)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋鉆孔止裂修復(fù)采用鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范CECS77：96，對(duì)于鋁合金、鈦合金等其他金屬結(jié)構(gòu)沒(méi)有明確的技術(shù)規(guī)范以及理論研究。

2 現(xiàn)有修復(fù)、延緩疲勞裂紋擴(kuò)展方法對(duì)比分析

裂紋填充、焊接修復(fù)、鉆孔止裂等研究方法均可以達(dá)到延緩金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的效果。從結(jié)構(gòu)性能來(lái)說(shuō)，裂紋填充和焊接修復(fù)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(fù)，達(dá)到延緩裂紋擴(kuò)展的目的，而鉆孔止裂方法雖然操作簡(jiǎn)單，能夠快速延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，但是也會(huì)過(guò)多的削弱截面的承載力，不利于結(jié)構(gòu)受力；從修復(fù)效果來(lái)講，當(dāng)確定裂紋位置時(shí)，采用焊接方法能快速有效且有保證的完成裂紋或類(lèi)裂紋的修復(fù)，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(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)沒(méi)有完全去除時(shí)，鉆孔止裂方法也可能達(dá)不到延緩裂紋擴(kuò)展的理想效果。各方法優(yōu)缺點(diǎn)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(kuò)展，但是針對(duì)于微裂紋的填充需要先進(jìn)的材料保障和技術(shù)保障，可能修補(bǔ)微裂紋的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)遠(yuǎn)超過(guò)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(shí)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(fù)方面，雖然通過(guò)激光焊、氬弧焊能快捷方便的修補(bǔ)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(kāi)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(fù)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(huì)延遲疲勞裂紋的再次萌生，并抑制隨后的裂紋擴(kuò)展。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，可能無(wú)法精確地定位裂紋尖端。即使能夠精確定位，這種類(lèi)型的修復(fù)也需要仔細(xì)檢查，以確保裂紋尖端的徹底去除。另外，在壓力管道、儲(chǔ)罐和壓力容器中引入止裂是不適用的，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致泄漏[36]。

3 結(jié)語(yǔ)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(fù)雜的，不可避免的會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋或類(lèi)裂紋缺陷的問(wèn)題。文中介紹了焊接修復(fù)、裂紋填充、鉆孔止裂等延緩疲勞裂紋的方法及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時(shí)分析比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在不能及時(shí)更換新的構(gòu)件下，能夠保證生產(chǎn)以及工程的運(yùn)行。

但是，目前延緩疲勞裂紋擴(kuò)展或者修復(fù)的研究主要集中于研究方法的單一性，很少同時(shí)考慮多個(gè)方法的綜合影響，也過(guò)少考慮延緩方案所帶來(lái)的不利影響。因此，可從以下幾個(gè)方面入手拓展研究：（1）應(yīng)改進(jìn)創(chuàng)新出新的修復(fù)工藝、參數(shù)、材料等，同時(shí)力爭(zhēng)與工業(yè)先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到延緩疲勞裂紋擴(kuò)展的目的；（2）結(jié)合實(shí)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(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)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(kuò)展與之相關(guān)的因素參數(shù)，同時(shí)試圖將多種延緩方法綜合起來(lái)，充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充、相互完善，達(dá)到滿(mǎn)足延緩或修復(fù)多類(lèi)型、多種情況下金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的最佳效果。這是國(guó)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(dá)到延緩疲勞裂紋擴(kuò)展目的之后方法所帶來(lái)的不利影響，也是一個(gè)待以研究的問(wèn)題。