HG785D高強鋼疲勞裂紋擴展試驗與數(shù)值模擬研究*

張 旺,萬一品,朱曉君,王莉?qū)?/p>

(長安大學 工程機械學院,陜西 西安 710064)

0 引 言

HG785D是一種性能優(yōu)良的高強度的焊接專用結(jié)構(gòu)鋼,其廣泛應用于壓力容器、起重設備、交通運輸機械等裝備中[1-2]。

行業(yè)內(nèi)眾多學者對該結(jié)構(gòu)鋼進行了深入研究。鄭鵬等[3]分析了HG785D鋼對接焊的焊接工藝,確定了不同厚度下接頭力學性能最優(yōu)時對應的熱輸入與預熱溫度范圍。陳建武等[4]分析了不同板厚下對接接頭沖擊和彎曲力學性能,確定了HG785D鋼焊接的強度匹配焊絲材料。張強等[5]分析了HG785D鋼焊接熱影響區(qū)的性能,得到了熱影響區(qū)沖擊性能低而硬度高的結(jié)論。史云龍等[6]利用XFEM方法研究不同因素對模具鋼裂紋尖端應力強度因子的影響,得到XFEM方法能夠有效模擬裂紋開裂及擴展過程的結(jié)論。

而相關(guān)公開研究中并未發(fā)現(xiàn)采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的文獻。筆者通過三點彎曲試驗和擴展有限元數(shù)值模擬的方法,對HG785D鋼的裂紋擴展規(guī)律進行研究,以描述SENB3試樣疲勞裂紋擴展過程,以期為高強鋼疲勞壽命評估提供方法和數(shù)據(jù)參考。

1 試樣材料與方法

選用武鋼HG785D調(diào)質(zhì)高強度焊接結(jié)構(gòu)鋼為研究對象,其厚度20 mm,主要化學成分如表1所列。

表1 HG785D的化學成分 /%

對HG785D鋼進行顯微組織觀察,其主要成分為珠光體和均勻分布的塊狀鐵素體,如圖1所示。按照GB/T 6398-2017制作三點彎曲試件尺寸,如圖2所示。

圖1 HG785D高強鋼的顯微組織

圖2 試樣尺寸

采用降K法方式來預制裂紋,預制裂紋結(jié)束后進入正常擴展階段。試驗機型號為SDS500,加載形式為正弦波,其它條件如表2所列。

表2 試驗條件

采用表2所列的試驗條件采集裂紋的擴展長度及其加載循環(huán)數(shù),裂紋增量為0.5 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

記錄循環(huán)次數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù),裂紋擴展長度與循環(huán)次數(shù)試驗數(shù)據(jù)如表3所列,a-N曲線如圖3所示。

圖3 裂紋擴展a-N曲線

表3 裂紋擴展長度a與循環(huán)次數(shù)N關(guān)系表

由圖3可知,HG785D試樣的a-N曲線相對較平滑,規(guī)律性較好。裂紋萌生階段載荷循環(huán)次數(shù)約為3.65×104次,斷裂時試樣疲勞壽命約為7.61×104次。

雙對數(shù)坐標系下的試樣疲勞擴展速率曲線,如圖4所示。

圖4 雙對數(shù)坐標下da/dN-ΔK關(guān)系曲線

由圖4可知,疲勞裂紋擴展分為三個區(qū)域,其中穩(wěn)定擴展區(qū)常采用Paris公式描述裂紋擴展規(guī)律[7]:

da/dN=C(ΔK)m

(1)

對Paris公式兩端同時取對數(shù),得出da/dN與ΔK的線性關(guān)系式為:

lg(da/dN)=lgC+mlg(ΔK)

(2)

雙對數(shù)坐標下,線性擬合穩(wěn)定擴展區(qū)的疲勞裂紋擴展速率與裂紋尖端應力強度因子關(guān)系如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定擴展區(qū)裂紋擴展速率和應力強度因子關(guān)系

由圖5可得,da/dN-ΔK曲線位于穩(wěn)定擴展區(qū),其擬合的相關(guān)參數(shù)如表4所列。

表4 穩(wěn)定擴展區(qū)da/dN-ΔK曲線參數(shù)

由表4得出,HG785D鋼三點彎曲試樣在穩(wěn)定擴展區(qū)的疲勞裂紋擴展方程為:

lg(da/dN)=-7.63+2.922 lg(ΔK)

(3)

將式(3)轉(zhuǎn)化為Paris公式得到:

da/dN=2.34×10-8(ΔK)2.9220

(4)

應力比為0.2時,在穩(wěn)定擴展階段,試驗得到HG785D鋼da-dN與ΔK的定量數(shù)學關(guān)系表達式。

3 裂紋擴展數(shù)值模擬與試驗對比分析

建立HG785D鋼裂紋擴展有限元模型,設置材料參數(shù),如表5所列。

表5 數(shù)值模擬材料參數(shù)

采用最大主應力斷裂準則及BK損傷演化模型,粘聚裂紋粘性系數(shù)為1×10-5,對裂紋尖端附件進行網(wǎng)格細化,精細度向外逐漸遞減。結(jié)果如圖6所示。

圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分

設置裂紋位置及擴展區(qū)域,對兩個支撐施加邊界條件為完全固定。載荷以集中力的方式施加在試樣上方的壓頭上,載荷的最大值與最小值與試驗中所設計的相同。疲勞裂紋擴展數(shù)值模擬前處理和求解模塊設置完畢,在后處理輸出不同時刻試件表面斷裂過程的Mises等效應力云圖,如圖7所示。

圖7 不同裂紋長度下裂紋尖端Mises等效應力云圖

數(shù)值模擬所得a-ΔK的關(guān)系與試驗所得a-ΔK的關(guān)系對比分析,如圖8所示。

圖8 相同裂紋長度下試驗與仿真的a-ΔK曲線

由圖8可知,試驗曲線與仿真曲線具有相同的變化趨勢。計算試驗分析與仿真分析之間的誤差,結(jié)果如表6所列。

表6 試驗與仿真曲線誤差分析

由表6誤差分析得出,隨著裂紋長度的增大,裂紋尖端應力強度因子之間誤差也在逐漸增大。裂紋尖端產(chǎn)生較大塑性變形是由于試件所承載的凈截面面積不斷減小,導致應力強度因子數(shù)值模擬值與試驗值之間的誤差也隨著裂紋長度的增大而增大,在穩(wěn)定擴展區(qū)的后期和快速擴展區(qū)較為明顯。通過試驗與仿真結(jié)果的誤差分析得出,最大誤差小于10%,這表明數(shù)值模擬可以較為準確地分析HG785D高強鋼三點彎曲試樣疲勞裂紋擴展。

4 結(jié) 論

由上述分析得出以下結(jié)論。

(1)通過對三點彎曲試樣進行疲勞裂紋擴展試驗可知,在應力比為0.2時,疲勞斷裂破壞的壽命為7.61×104。

(2) 通過疲勞裂紋擴展試驗所得數(shù)據(jù),擬合得到試樣的a-N曲線以及da/dN-ΔK曲線,在穩(wěn)定擴展區(qū)階段,Paris公式為da/dN=2.34×10-8(ΔK)2.9220。

(3) 對a-ΔK曲線進行分析發(fā)現(xiàn),兩者之間的變化規(guī)律一致,數(shù)值模擬與試驗結(jié)果最大誤差為6.1%。采用數(shù)值模擬或三點彎曲試驗均能得到HG785D鋼的疲勞裂紋擴展性能。