AH36鋼含裂紋板與加筋板低周疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

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(武漢理工大學(xué) a.交通學(xué)院；b.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430063)

近年來船舶制造業(yè)中廣泛應(yīng)用高強(qiáng)度鋼。通常認(rèn)為，隨著材料強(qiáng)度增加，船舶壽命也會相應(yīng)更長。然而在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)在初始投入使用時內(nèi)部或表面常常存在一些初始缺陷，在交變載荷作用下會發(fā)生擴(kuò)展致使結(jié)構(gòu)斷裂，從而使得結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度下降。因此，對交變載荷下的裂紋擴(kuò)展研究有著十分重要的意義[1-6]。船體板與加筋板是船舶結(jié)構(gòu)中最基本、最普遍的部分，也是船舶結(jié)構(gòu)的主要組成部分。以AH36鋼為基礎(chǔ)材料,采用預(yù)制缺口的平板和加筋板試樣進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn),分析AH36鋼在不同載荷、有無加筋時疲勞裂紋擴(kuò)展速率,總結(jié)其變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)工裝及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，選用MTS322電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試件的實(shí)際工裝情況見圖1。

選用數(shù)碼顯微鏡對裂紋擴(kuò)展進(jìn)行全程監(jiān)測。試驗(yàn)采用AH36高強(qiáng)度船用鋼,材料成分見表1。

表1AH36高強(qiáng)度船用鋼材化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

CMnAlSi0.15～0.181.20～1.450.020.15～0.50PSNb≤0.025≤0.0150.015～0.025

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)試件尺寸見圖2。試件長度560 mm，厚度3 mm，模型寬度200 mm，實(shí)際承受載荷有效區(qū)域長200 mm、寬100 mm，預(yù)置中心穿透裂紋長16 mm，加強(qiáng)筋單面布置，與平板垂直，加強(qiáng)筋具體尺寸及布置位置見表2。最大外載荷范圍100～135 kN，過載比選取范圍為1.05～1.10，試驗(yàn)加載頻率為1 Hz。試驗(yàn)設(shè)計的具體工況見表2。

試驗(yàn)時，數(shù)碼顯微鏡位置固定，以獲得一致的測量標(biāo)尺。將試驗(yàn)加載時刻與視頻錄制時刻嚴(yán)格對應(yīng)，在試驗(yàn)機(jī)器開始加載時刻立即開始錄制，試驗(yàn)全程采用高倍放大鏡對裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時記錄裂紋擴(kuò)展情況，高倍放大鏡記錄的裂紋擴(kuò)展情況見圖3。

表2 試驗(yàn)設(shè)計及部分參數(shù)

試驗(yàn)采用的平板與加筋板試件板厚較小，可視為薄板結(jié)構(gòu)，由于其承壓能力較弱，施加高壓載荷后易發(fā)生失穩(wěn)，故采用拉伸循環(huán)加載的方式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，即從0拉伸至最大載荷，未考慮壓載荷對裂紋作用[7-8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平板與加筋板的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命

在應(yīng)力比與最大外加載荷相同(R=0.1，Pmax=100 kN)(見圖4b)時，對比有無加強(qiáng)筋，觀察曲線變化，研究加強(qiáng)筋對疲勞裂紋擴(kuò)展的作用。由于施加載荷相同，加筋板有效承載面積較平板增加，應(yīng)力減小，加筋板的壽命遠(yuǎn)高于平板的裂紋擴(kuò)展壽命，證明加強(qiáng)筋能有效增加船體板的疲勞壽命，但并不能阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。

恒幅與過載下加筋板的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命對比見表3，R=0.1，ROL=1為常幅工況，單過載峰在1 150次循環(huán)載荷處施加，圖4c)～e)顯示了應(yīng)力比R=0.1，單過載峰(過載比分別為1.05，1.075，1.10)下加筋板疲勞壽命的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對比單過載峰工況與恒幅循環(huán)載荷工況，過載后的加筋板裂紋擴(kuò)展壽命提高了。圖5f)中，由于過載比相近，裂紋擴(kuò)展壽命相差不多，但仍可看出，隨著過載比增加，裂紋擴(kuò)展壽命相應(yīng)增加。

2.2 船體板與加筋板疲勞裂紋擴(kuò)展速率分析

疲勞裂紋擴(kuò)展速率是通過實(shí)時裂紋擴(kuò)展長度除以實(shí)時循環(huán)次數(shù)增量獲得的，以da/dN-a曲線表示AH36在鋼的平板與加筋板在不同擴(kuò)展階段時的裂紋擴(kuò)展速率，見圖5。

如圖5a)所示，在拉伸循環(huán)載荷下，應(yīng)力比的不同對AH36鋼平板試件的裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展速率da/dN產(chǎn)生較大影響，R的增大使得應(yīng)力幅值減小，ΔK減小，裂紋擴(kuò)展速率有明顯的降低，這說明AH36鋼對應(yīng)力比效應(yīng)比較敏感。而且da/dN在初始階段的增幅要遠(yuǎn)小于后面的擴(kuò)展階段，此初始階段擴(kuò)展為裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，單峰過載在此階段施加。

表3 恒幅循環(huán)載荷與過載下加筋板疲勞裂紋擴(kuò)展壽命

圖5b)為加筋板與平板裂紋擴(kuò)展速率對比，Pmax=100 kN，R=0.1時，平板裂紋從開始擴(kuò)展到24 mm時可看做裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，加筋板穩(wěn)定擴(kuò)展階段為裂紋從開始擴(kuò)展至42 mm。由圖4a)中可看出平板的穩(wěn)定擴(kuò)展階段循環(huán)次數(shù)約為1 900次，圖4b)可看出加筋板穩(wěn)定擴(kuò)展階段的循環(huán)次數(shù)約為8 200次，增加加強(qiáng)筋后，裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段明顯增大。隨著裂紋長度增加，裂紋擴(kuò)展速率開始迅速增大，進(jìn)入高速擴(kuò)展階段。

不同過載比下裂紋擴(kuò)展速率見圖6。由圖6中可見，試件在過載后會出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展遲滯效應(yīng)。過載峰施加過后會出現(xiàn)擴(kuò)展速率的瞬間加速，最大裂紋擴(kuò)展速率值要高于恒幅加載作用下的擴(kuò)展速率，但該階段歷時很短。之后為過載后裂紋的遲滯擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展速率在快速下降到最低點(diǎn)之后逐漸恢復(fù)，隨著裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速率會完全恢復(fù)至恒幅加載階段水平。遲滯效應(yīng)主要是由于過載載荷后，裂尖附近會產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，恒幅循環(huán)載荷施加后，裂尖附近的塑性區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)大，裂紋擴(kuò)展的行為減緩。隨著恒幅循環(huán)載荷的循環(huán)次數(shù)增多，過載產(chǎn)生的遲滯效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)循環(huán)載荷施加至一定次數(shù)后，其產(chǎn)生的塑性區(qū)超過了過載產(chǎn)生的范圍，過載后的遲滯效應(yīng)消失，裂紋擴(kuò)展恢復(fù)拉伸恒幅循環(huán)載荷工況速率，繼續(xù)向前擴(kuò)展。

圖6表明，當(dāng)過載比ROL=1.10時，裂紋擴(kuò)展的遲滯階段裂紋擴(kuò)展約為1.3 mm，遲滯擴(kuò)展最小速率約為2×10-4mm·cycle-1；ROL=1.08時，裂紋遲滯階段約為1 mm，遲滯擴(kuò)展最小速率約為5×10-4mm·cycle-1；當(dāng)ROL=1.05時，裂紋遲滯階段約為0.5 mm，遲滯擴(kuò)展最小速率約為6.25×10-4mm·cycle-1。由此可看出，施加不同過載比的單峰拉伸過載載荷后，對裂紋的擴(kuò)展速率造成一定影響：過載比越大，裂紋產(chǎn)生的過載遲滯效應(yīng)越明顯，過載后的遲滯擴(kuò)展速率越小。

3 結(jié)論

1)AH36鋼含裂紋板在恒幅拉伸循環(huán)載荷下，應(yīng)力比增大，應(yīng)力幅值減小，裂紋擴(kuò)展速率明顯降低，說明AH36鋼對應(yīng)力比效應(yīng)較敏感。

2)在恒幅拉伸循環(huán)載荷下，施加載荷相同，加筋板有效承載面積較平板增加，應(yīng)力水平降低，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段增大，壽命增長。裂紋擴(kuò)展至加強(qiáng)筋處時，筋板亦會發(fā)生斷裂，表明加強(qiáng)筋對裂紋擴(kuò)展有抑制作用，但無法完全阻止裂紋的擴(kuò)展。

3)在拉伸循環(huán)載荷下引入單個拉伸過載對AH36鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展性能有很大影響，施加過載后會出現(xiàn)明顯的過載遲滯效應(yīng)。過載比越大，裂紋的遲滯擴(kuò)展速率越小，遲滯擴(kuò)展區(qū)域更長，遲滯效應(yīng)越明顯，疲勞壽命越長。