Q550E高強鋼及焊接接頭的疲勞裂紋擴展研究

摘要"焊接構(gòu)造是鋼橋的薄弱部位，在反復(fù)車輛荷載作用下，疲勞損傷正逐步成為影響橋梁服役安全的關(guān)鍵問題之一。以Q550E高強鋼為研究對象，開展母材和對接焊縫接頭的靜力拉伸和疲勞裂紋擴展試驗，建立母材及焊接連接件的疲勞裂紋增長模型，揭示了應(yīng)力比對高強鋼焊接節(jié)點疲勞裂紋擴展速率的影響規(guī)律；開展基于FRANC3D和ABAQUS的聯(lián)合仿真模擬分析，通過敏感性分析明確關(guān)鍵影響參數(shù)。結(jié)果表明：隨著應(yīng)力比的增大，疲勞裂紋擴展速率參數(shù)m增大、lg"C減小，應(yīng)力強度因子門檻值減??；對接焊縫m值約為母材的2倍，對接焊縫裂紋門檻值大于母材，且對應(yīng)力比更敏感；聯(lián)合仿真方法可準確預(yù)測高強鋼焊接接頭疲勞壽命，高應(yīng)力比下試件厚度和初始裂紋深度對疲勞擴展影響顯著。

關(guān)鍵詞"橋梁工程;"Q550E高強鋼;"焊接接頭;"疲勞裂紋;"有限元分析

高性能鋼材具有良好的延性、韌性、可焊性及結(jié)構(gòu)自重輕等優(yōu)點，在大跨度鋼橋中應(yīng)用廣泛^[1]。隨著車輛軸重和交通量不斷增長，疲勞損傷正成為影響鋼橋服役安全的關(guān)鍵問題之一^[2]，Point Pleasant大橋、首爾圣水大橋均因關(guān)鍵鋼構(gòu)件疲勞斷裂而發(fā)生垮塌^[3-4]。焊接構(gòu)造為鋼橋薄弱部位，焊縫在加工過程中不可避免存在氣泡、夾渣等缺陷。缺陷處往往存在應(yīng)力集中，疲勞荷載作用下易誘發(fā)裂紋萌生。此外，焊接過程會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力在疲勞裂紋增長（Fatigue Crack Growth，F(xiàn)CG）過程中會發(fā)生重分布，導(dǎo)致疲勞性能評估過程存在顯著不確定性。因此，亟須針對高強鋼焊接接頭的疲勞裂紋擴展行為開展研究。

現(xiàn)有鋼橋設(shè)計規(guī)范主要采用針對構(gòu)造細節(jié)的名義應(yīng)力法^[5]，該方法雖計算簡便，但對于新型鋼材是否適用仍需進一步校準；基于線彈性斷裂力學(xué)理論的疲勞壽命評估方法也得到了應(yīng)用^[6]，由于疲勞裂紋發(fā)展受材料性能、焊接工藝、荷載和環(huán)境等因素影響，疲勞壽命預(yù)測需明確疲勞裂紋的發(fā)展規(guī)律。一些學(xué)者已開展了不同環(huán)境和荷載下的疲勞裂紋擴展試驗^[7-8]。童樂為等^[9]開展了應(yīng)力比為0.1時不同類型高強鋼的疲勞裂紋擴展試驗，指出疲勞裂紋增長速率隨鋼材強度的增加而逐漸降低。De Jesus等^[10]發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與鋼材靜力強度呈負相關(guān)。上述研究表明，不同型號鋼材的疲勞裂紋擴展行為存在較大差異。此外，對于焊接連接件，過高的殘余應(yīng)力易誘發(fā)氫致裂紋、疲勞斷裂等結(jié)構(gòu)性破壞^[11-12]。白林越等^[13]引入形狀參數(shù)、張開比和殘余應(yīng)力等構(gòu)建了焊接疲勞裂紋擴展模型，分析了焊接殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴展速率的影響。Zong等^[14]開展了Q345qD母材和焊縫在不同應(yīng)力比和不同厚度下的疲勞裂紋擴展速率試驗，結(jié)果表明隨應(yīng)力比增加，疲勞裂紋擴展速率增加，門檻值降低。吳圣川等^[15]發(fā)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力比可改變裂紋前沿應(yīng)力強度因子幅值，從而影響疲勞裂紋擴展速率。目前，焊接接頭疲勞研究多圍繞焊接殘余應(yīng)力和焊縫缺陷等內(nèi)部影響因素開展，已揭示裂紋閉合效應(yīng)對疲勞裂紋擴展速率的影響，但不同應(yīng)力比下焊接連接件的疲勞裂紋擴展行為仍需深入。此外，由于大尺度的疲勞試驗研究耗時且成本高，數(shù)值分析方法已在復(fù)雜局部應(yīng)力分析等方面發(fā)揮了重要作用^[16-17]。然而，疲勞裂紋增長模擬方法仍不完善，張開型裂紋假定與真實裂紋發(fā)展可能存在差異，預(yù)測精度難以保障。

筆者開展不同應(yīng)力比下Q550E高強鋼母材及焊接接頭的疲勞裂紋擴展試驗，明確高強鋼疲勞壽命、疲勞裂紋擴展速率參數(shù)和門檻值的變化規(guī)律，揭示應(yīng)力比對高強鋼焊接節(jié)點疲勞裂紋擴展性能的影響，這對完善高強鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計與后期維護有重要意義。在此基礎(chǔ)上，開展基于FRANC3D與ABAQUS的聯(lián)合數(shù)值仿真分析，通過敏感性分析明確關(guān)鍵影響參數(shù)。

1"試驗研究

1.1"試件設(shè)計

試驗采用舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Q550E高強鋼，公稱厚度為8 mm，實測厚度為8.56 mm，化學(xué)成分如表1所示，鋼材碳當(dāng)量為0.4%。對接焊縫設(shè)計為V形坡口，采用CO₂氣體保護焊，焊絲為E501T-1L，焊接電壓為（30±2）V，焊縫接頭幾何輪廓如圖1所示。

通過靜力拉伸和疲勞裂紋擴展試驗研究Q550E高強鋼母材及對接焊縫力學(xué)性能、疲勞裂紋擴展行為。靜力拉伸試驗參照《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2021）^[18]進行試件取樣和制備，共制備6個試件。靜力拉伸試件尺寸如圖2所示。

Q550E鋼材疲勞裂紋擴展試驗依據(jù)《金屬材料 疲勞試驗 疲勞裂紋擴展方法》（GB/T 6398—2017）^[19]中的標準CT（Compact Tension）試件進行尺寸設(shè)計。采用線切割加工得到CT試件及相應(yīng)的U型夾具與銷釘。對接焊縫試件加工過程中，先對Q550E高強鋼母材進行焊接，再對焊接構(gòu)件進行線切割，最后聯(lián)合銑床及磨床等設(shè)備對試件進行打磨加工，制得試件及相應(yīng)的U型夾具與銷釘。試件尺寸和取樣方式如圖3所示。圖3中B為試件厚度，W為試件寬度，a_n為試件切口長度。

1.2"靜力拉伸試驗

采用MTS Landmark電液伺服疲勞試驗機進行加載，最大荷載為250 kN。采用量程為50 mm的引伸計測量位移。根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2021）^[18]，靜力拉伸試驗采用應(yīng)變速率控制。不同拉伸階段采用不同加載速率：鋼材屈服前應(yīng)變速率為0.000 25"s^-1，屈服后為0.006 7"s^-1。試件及加載裝置如圖4所示。

靜力拉伸試驗分別采用3個Q550E鋼母材和3個對接焊縫試件進行重復(fù)試驗。通過靜力拉伸試驗獲得母材屈服應(yīng)力、抗拉強度、伸長率、屈強比和彈性模量等性能指標。通過測量對接焊縫試件的抗拉強度來評價焊縫質(zhì)量。拉伸試件破壞形貌如圖5所示。靜力拉伸試驗結(jié)果取平均值，結(jié)果如表2所示。

1.3"疲勞裂紋擴展試驗

Q550E高強鋼母材及對接焊縫標準CT試件的疲勞裂紋擴展試驗在MTS Landmark電液伺服疲勞試驗機上進行，CT試件如圖6所示。試驗采用計算機自動控制，試驗溫度為（20±3）℃。荷載波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，應(yīng)力比為循環(huán)加載時最小荷載與最大荷載的比值，分別為0.1、0.2、0.3和0.5。試驗時通過固定疲勞荷載上限值，調(diào)整疲勞荷載下限值來控制應(yīng)力比。每種工況進行3組重復(fù)性試驗，母材試件與焊接試件編號依據(jù)試驗類型確定，M和Q分別表示母材和對接焊縫進行疲勞裂紋擴展試驗的試件，MT和QT分別代表母材和對接焊縫進行門檻值測定試驗的試件。如應(yīng)力比為0.1時母材疲勞裂紋擴展試驗的試件編號為R=0.1-M1～3，疲勞裂紋擴展與門檻值測定試驗共采用48個試件，試件實際尺寸和數(shù)量如表3所示。通過COD引伸計實時測量試件開口位移，采用柔度法計算疲勞裂紋長度。柔度法計算公式可表示為^[19]

式中：a為疲勞裂紋長度，下同；C₀～C₅為常數(shù)^[19]；U_x為試件開口位移函數(shù)，可表示為

式中：B為試件厚度；E為彈性模量；V_x為開口位移；P為荷載大小。

試驗開始前，施加約0.7F_max的初始力，通過引伸計測量開口位移，進一步基于柔度法得到試件的裂紋長度。根據(jù)已有試驗研究^[7，10，14]，每間隔5 min測量一次開口位移，連續(xù)兩次開口位移測量偏差未超過0.1 mm時，停止加載。

在疲勞裂紋擴展試驗中，需對試件進行疲勞裂紋預(yù)制。試驗預(yù)制裂紋長度為1.5 mm。預(yù)制裂紋階段采用降載法，預(yù)制結(jié)束后進行常幅加載。疲勞裂紋擴展試驗采用力控制，不同應(yīng)力比下最大荷載均為定值。結(jié)合預(yù)制裂紋試算結(jié)果，設(shè)定最大荷載為7 kN。試驗裝置如圖7所示。

疲勞裂紋擴展試驗結(jié)束后，采用五點法和柔度法對裂紋長度進行測定和復(fù)核，進而構(gòu)建Q550E高強鋼母材和對接焊縫試件的疲勞裂紋擴展壽命曲線（a-N曲線）。采用七點遞增多項式法^[20]和式（3）分別計算疲勞裂紋擴展速率da/dN和應(yīng)力強度因子幅值ΔK^[7]。

當(dāng)da/dN趨近于零時，對應(yīng)的應(yīng)力強度因子稱為門檻值ΔK_th。疲勞裂紋門檻值測定流程如下：預(yù)制1.5 mm疲勞裂紋，采用降K法進行試驗，疲勞裂紋擴展速率達1×10^-7時停止試驗^[19]。根據(jù)預(yù)制裂紋試算結(jié)果，初始K值為20.5 MPa·mm^1/2，降K梯度為1.5%。試驗過程中，觀察ΔK值變化，同時計算相應(yīng)的疲勞裂紋擴展速率da/dN。在得到每個試件至少5個有效da/dN-ΔK數(shù)據(jù)點的基礎(chǔ)上，基于單試件數(shù)據(jù)法^[2]和七點遞增多項式法，在4個應(yīng)力比0.1、0.2、0.3和0.5下對每組試件單獨進行擬合計算，確定每個試件的疲勞裂紋擴展速率參數(shù)C和m，根據(jù)擬合計算結(jié)果，取da/dN=10^-7mm/周計算對應(yīng)的ΔK值為疲勞裂紋擴展門檻值ΔK_th^[19]。

2"試驗結(jié)果及分析

2.1"疲勞裂紋擴展壽命曲線

按應(yīng)力比0.1、0.2、0.3和0.5進行分組試驗，每組3個試件，母材和對接焊縫共12組，共計24個試件。對這些試件進行疲勞裂紋擴展試驗，可得到不同應(yīng)力比下的a-N曲線和材料疲勞壽命。圖8為4種應(yīng)力比下對接焊縫裂紋初始擴展段的a-N曲線。圖8中a為裂紋長度，由試驗時COD引伸計所測得的開口位移和式（1）、式（2）計算所得，N為疲勞循環(huán)加載次數(shù)。由圖8可知，曲線均呈非單調(diào)增加，當(dāng)應(yīng)力比為0.1和0.2時，疲勞裂紋增長過程中存在波動；應(yīng)力比為0.3和0.5時，裂紋擴展曲線先快速上升，然后緩慢下降。此外，在應(yīng)力比為0.1、0.2、0.3和0.5時，疲勞裂紋增長曲線下降梯度最大值分別為0.001 7、0.001 1、0.001 0、0.000 8 mm/次。下降梯度受加載初期的裂紋閉合效應(yīng)影響，即：荷載作用下，在疲勞裂紋擴展尖端附近存在一個殘余塑性變形區(qū)，使裂紋張開位移減小，裂紋面間提前接觸，導(dǎo)致疲勞裂紋擴展的驅(qū)動力降低^[15]。由此可見，隨應(yīng)力比增大，由荷載引起的塑性區(qū)裂紋尖端接觸應(yīng)力減小，即裂紋閉合效應(yīng)減小。

圖9為不同應(yīng)力比下材料的a-N曲線，其中，M和Q分別表示母材試件和對接焊縫試件，如0.1-M表示應(yīng)力比為0.1時母材試件的a-N曲線。由圖9和表4可知，焊接試件疲勞裂紋增長緩于母材，不同應(yīng)力比下對接焊縫試件疲勞壽命較母材分別增長了23.11%、26.53%、7.79%和7.48%。上述結(jié)果表明應(yīng)力比較低（未超過0.2）時，焊縫疲勞壽命增幅較大，隨應(yīng)力比增大，焊縫疲勞壽命增幅減小。

文獻[9]對高強鋼Q550D母材進行了疲勞裂紋擴展試驗，應(yīng)力比R=0.1，試驗進行了3組。圖10為相同應(yīng)力比下Q550E和Q550D母材疲勞裂紋擴展試驗結(jié)果的對比。圖中0.1-M為本文中Q550E的試驗結(jié)果，Q550D-X為文獻[9]中3組母材的試驗結(jié)果。由圖10可知，兩種材料的疲勞裂紋擴展速率曲線均呈指數(shù)式平滑上升，疲勞加載開始出現(xiàn)的偏差主要是由初始裂紋長度設(shè)置不同造成的。

2.2"疲勞裂紋擴展速率

基于疲勞壽命曲線，可進一步得到疲勞裂紋增長速率da/dN及相應(yīng)的應(yīng)力強度因子幅值ΔK。不同應(yīng)力比下母材與對接焊縫da/dN-ΔK曲線如圖11所示。采用Paris公式描述不同應(yīng)力比下母材和對接焊縫的疲勞裂紋擴展速率^[21]，即

式中：a為疲勞裂紋長度；N為荷載循環(huán)次數(shù)；C和m為材料疲勞裂紋擴展的無量綱常數(shù)。

對式（4）兩邊分別取對數(shù)，則

擬合得到的疲勞裂紋擴展速率參數(shù)m和lg"C如表5所示。由式（5）可知，m和lg"C值分別為da/dN-ΔK線性段斜率和截距。由表5可知，隨應(yīng)力比增大，疲勞裂紋擴展速率參數(shù)m增大，lgnbsp;C減小。相同應(yīng)力比下，焊縫處疲勞裂紋擴展速率參數(shù)m約為母材的2倍。

圖12為不同應(yīng)力比下近門檻值區(qū)的疲勞裂紋增長速率曲線。由圖12可知，隨應(yīng)力比增大，母材與對接焊縫近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展速率曲線向左平移，表明隨應(yīng)力比增大，近門檻值區(qū)的應(yīng)力強度因子幅值減小。由表5可知，當(dāng)應(yīng)力比由0.1增大至0.5時，母材裂紋擴展門檻值ΔK_th由6.37 MPa·mm^1/2減小至5.15 MPa·mm^1/2，降幅為19.2%；對接焊縫試件裂紋擴展門檻值ΔK_th由16.04 MPa·mm^1/2減小至10.73 MPa·mm^1/2，降幅為33.1%，這表明對接焊縫疲勞裂紋擴展門檻值對應(yīng)力比的變化更敏感。

3"有限元仿真分析

3.1"有限元模型

基于有限元軟件FRANC3D與ABAQUS對Q550E母材和對接焊縫試件的疲勞裂紋擴展行為進行分析，如圖13（a）所示。采用ABAQUS建立CT試件的有限元分析模型，材料參數(shù)基于靜力拉伸試驗結(jié)果，邊界及荷載條件如圖13（b）所示。單元網(wǎng)格劃分選用C3D20R單元，網(wǎng)格尺寸為2 mm；對關(guān)鍵部位如切口和圓孔處進行網(wǎng)格加密，加密處網(wǎng)格尺寸為0.1 mm。在FRANC3D中導(dǎo)入建立的有限元模型，將深度為1.5 mm的半橢圓形初始裂紋插入CT試件切口處，對裂紋尖端網(wǎng)格進行重構(gòu)和細化。借助ABAQUS對FRANC3D帶裂紋的有限元模型進行應(yīng)力分析，得到裂紋前沿應(yīng)力強度因子，如圖13（c）所示?；诹鸭y前沿應(yīng)力強度因子，在FRANC3D內(nèi)采用Paris公式構(gòu)建裂紋擴展模型，設(shè)置裂紋擴展加載波形和應(yīng)力比，輸入試驗參數(shù)C、m、ΔK_th和K_C。其中，K_C為材料的斷裂韌性，指材料阻止裂紋擴展的能力，即材料發(fā)生不穩(wěn)定斷裂時，材料顯示的阻抗值，取值為試驗結(jié)束時的應(yīng)力強度因子。當(dāng)裂紋前沿應(yīng)力強度因子達K_C時，計算結(jié)束。

3.2"仿真結(jié)果

圖14為不同應(yīng)力比下裂紋前沿應(yīng)力強度因子幅值。由圖14可知，半橢圓形裂紋兩側(cè)邊界應(yīng)力強度因子小于中間區(qū)段，且應(yīng)力強度因子幅值隨應(yīng)力比增大而減小。圖15為不同應(yīng)力比下應(yīng)力強度因子幅值變化規(guī)律。由圖15可知，隨疲勞裂紋長度增長，裂紋尖端應(yīng)力強度因子幅值增大，且增長速率逐漸增大。有限元計算結(jié)果與實測值吻合較好，最大誤差為7.0%。上述結(jié)果表明提出的有限元聯(lián)合仿真方法能有效表征鋼材疲勞裂紋增長過程中裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)。

圖16為有限元仿真計算與試驗結(jié)果的對比，圖中M和FEM-M分別表示母材試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果。有限元分析采用的是理想彈塑性本構(gòu)模型，而試件在實際加工中，存在原材料組成和加工制造誤差，導(dǎo)致有限元仿真計算與試驗結(jié)果有一定差異。由圖16可知，不同應(yīng)力比下母材與焊接試件的a-N曲線有限元計算結(jié)果均與試驗值吻合較好，疲勞壽命預(yù)測最大誤差分別為5.0%和1.2%。這進一步證明了提出的ABAQUS和FRANC3D聯(lián)合仿真方法對Q550E高強鋼母材及對接焊縫疲勞裂紋擴展分析的可行性，可用于基于材料疲勞裂紋增長分析的疲勞壽命評估。

3.3"參數(shù)敏感性分析

基于有限元仿真分析結(jié)果，對試件厚度、初始裂紋形狀（橢圓形裂紋短軸與長軸之比）和初始裂紋深度等參數(shù)進行分析，探究不同參數(shù)對應(yīng)力比變化的敏感性。圖17分別為應(yīng)力比為0.1和0.5下的參數(shù)敏感性分析結(jié)果。由圖17可知，試件厚度增大對試件疲勞壽命增幅顯著，初始裂紋形狀變化對疲勞壽命增幅影響較小，初始裂紋深度與試件疲勞壽命呈負相關(guān)。同時，試件厚度和初始裂紋深度在高應(yīng)力比下對疲勞壽命的影響更為顯著。上述分析結(jié)果表明，試件厚度和初始裂紋深度為疲勞壽命的關(guān)鍵影響因素，且這兩種參數(shù)在高應(yīng)力比時敏感性更高。

4"結(jié)論

以Q550E高強鋼母材及焊接接頭為研究對象，開展了材料靜力拉伸和疲勞裂紋擴展試驗，并采用有限元方法模擬了疲勞裂紋增長過程。主要結(jié)論如下：

1）Q550E高強鋼焊接試件疲勞壽命大于母材，不同應(yīng)力比下對接焊縫試件疲勞壽命較母材分別增長了23.11%、26.53%、7.79%和7.48%。

2）隨應(yīng)力比增大，疲勞裂紋擴展速率參數(shù)m增大、lgC減小，應(yīng)力強度因子門檻值減?。幌嗤瑧?yīng)力比下，對接焊縫m值約為母材的2倍；對接焊縫裂紋門檻值大于母材，且對應(yīng)力比變化更敏感。

3）通過試驗數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果對比，驗證了FRANC3D與ABAQUS聯(lián)合仿真方法對Q550E高強鋼母材及對接焊縫疲勞裂紋擴展研究的可行性。

4）試件厚度和初始裂紋深度是影響高強鋼疲勞裂紋擴展的關(guān)鍵參數(shù)。實際Q550E高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可適當(dāng)降低應(yīng)力比提高應(yīng)力強度因子門檻值，或在高應(yīng)力比情況下，通過增加材料厚度或控制初始裂紋深度，以延長材料疲勞壽命。

筆者主要研究了Q550E高強鋼母材及對接焊縫的疲勞裂紋擴展特征，對焊接接頭本構(gòu)關(guān)系曲線、試件尺寸效應(yīng)及焊接殘余應(yīng)力的影響仍需深入。此外，分析僅圍繞材料層面，針對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層面的數(shù)值仿真仍需日后進一步研究。

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