ADB610鋼焊接接頭中疲勞裂紋的擴展速率

薛 彬，張天會，王時越，果 霖，徐人平

(1. 昆明理工大學機電工程學院， 昆明 650051；

2. 云南農業大學機電工程學院， 昆明 650201)

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ADB610鋼焊接接頭中疲勞裂紋的擴展速率

薛 彬1，張天會2，王時越1，果 霖2，徐人平1

(1. 昆明理工大學機電工程學院， 昆明 650051；

2. 云南農業大學機電工程學院， 昆明 650201)

摘要：對新型ADB610低碳貝氏體鋼進行了焊條電弧焊接，采用柔度法得到了焊接接頭裂紋長度(a)和循環壽命(N)的關系曲線;根據a-N曲線采用一次七點遞增多項式擬合方法計算了母材、熱影響區和焊縫的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)，并和應力強度因子范圍(ΔK)數據進行回歸擬合，得到了以Paris公式表達的焊接接頭各區域的疲勞裂紋擴展速率表達式。結果表明：在疲勞裂紋擴展的初期和中期，焊縫的裂紋擴展速率最慢，母材區裂紋擴展速率最快；在裂紋擴展末期，三區域的裂紋擴展速率相近。

關鍵詞：ADB610鋼；焊接接頭；疲勞裂紋擴展速率

0引言

在工程結構的斷裂事故中，約有80%屬于疲勞破壞[1]，由于焊接接頭疲勞失效而導致焊接結構破壞的約占90%[2]。目前焊接結構已成為使用最廣泛的一種結構，疲勞和腐蝕是焊接結構的主要失效形式[3]。在焊接過程中焊接接頭會存在焊接缺陷，易產生裂紋萌生、擴展甚至失穩斷裂[4]，疲勞裂紋擴展速率(da/dN)是表征構件疲勞行為的重要特征參量。ADB610鋼[5]是一種新型低碳貝氏體鋼，采用微合金化控軋控冷工藝生產，廣泛應用于水工金屬結構及壓力容器等焊接結構中，被稱為當今“綠色鋼材”。目前對新型低碳貝氏體鋼焊接接頭的研究主要集中在從焊接工藝性和使用性的角度研究焊接接頭的顯微組織和常規力學性能，而很少從斷裂力學的角度研究其疲勞裂紋擴展行為。

為此，作者對ADB610鋼板進行了焊條電弧焊焊接，對焊接接頭三個宏觀區域進行多試樣疲勞裂紋擴展速率試驗研究，計算了焊接接頭中母材、熱影響區、焊縫三區域基于Paris公式的裂紋擴展速率，對比分析了三區域疲勞裂紋擴展性能的差異，為ADB610鋼焊接結構的抗斷裂設計提供依據。

1試樣制備與試驗方法

試驗材料為鞍鋼開發生產的ADB610鋼板，厚度δ為20 mm；焊條選用大西洋牌CHE62CFLH低合金鋼焊條。ADB610鋼和焊條的化學成分和常規力學性能見表1和表2。

采用不對稱X型坡口作為ADB610鋼焊接坡口形式(見圖1)，采用ZX400S型焊機進行焊條電弧焊，用直徑為3.2 mm(打底焊)和4.0 mm(填充和蓋面焊)的CHE62CFLH焊條，進行平板對接接頭的焊接。焊接規范：多層多道焊，焊前不預熱，焊后自然冷卻不后熱，具體焊接工藝參數見表3。

表1　試驗材料的化學成分(質量分數)

表2　試驗材料的力學性能

表3　焊接工藝參數

圖2　CT試樣的取樣位置及尺寸Fig.2　Sampling positions in welded joints(a) and size of CT sample (b)

在焊接接頭的母材(BM)、熱影響區(HAZ)和焊縫(WS)截取疲勞試驗緊湊拉伸(CT)試樣。CT試樣缺口尖端分別位于母材、熱影響區和焊縫中心，取樣位置和形狀尺寸如圖2所示。每個區域各取7個CT試樣，其中母材的試樣編號MN1-MN7，熱影響區的試樣編號H1-H7，焊縫的試樣編號W1-W7。

圖1　焊接坡口及焊層示意Fig.1　Sketch map of welding groove and welding layer

在ADB610鋼焊接接頭的母材、熱影響區和焊縫截取金相試樣，打磨拋光后用4%硝酸酒精(體積分數)腐蝕，用Olympus光學顯微鏡觀察三區域的顯微組織。

根據GB 6398-2000[6]，采用MTS 810 Teststar型材料試驗系統用逐級降載方法預制疲勞裂紋并進行疲勞裂紋擴展試驗。試驗過程中采用循環正弦波加載方式，試驗頻率為10 Hz，最大加載載荷Pmax=15 kN與最小加載載荷Pmin=1.5 kN之差ΔP=13.5 kN恒定(即采用增K試驗方法，應力強度因子K隨著裂紋長度a的增加而增加)，應力比R=0.1，采用柔度法通過COD規測定試樣裂紋嘴的張開位移，進而計算出裂紋的長度，并繪制裂紋長度(a)和循環壽命(N)的關系曲線，即a-N曲線。

2試驗結果與討論

2.1　疲勞裂紋擴展速率

圖3　焊接接頭不同區域各試樣的a-N曲線Fig.3　a-N curves of base material(a)， heat affected zone(b) and weld seam (c) samples of welded joint

疲勞裂紋擴展試驗結束后，根據試驗要求提取有效試驗數據，其中母材7個，熱影響區5個，焊縫6個，繪制各區域各試樣a-N曲線。由圖3可知，母材各試樣的裂紋擴展數據的分散性比較小，熱影響區和焊縫數據的分散性較大。根據GB 6398-2000的推薦，采用一次七點遞增多項式方法計算a-N曲線的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)，其局部二次多項式擬合方程如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: ai為對應循環次數Ni時的裂紋長度，ai-3≤a≤ai+3；b0,b1,b2為按最小二乘法決定的回歸系數;C1,C2為使計算簡便引入的參數。

對式(1)求導可以得到七個點中間點的裂紋擴展速率(da/dN)i。

(5)

采用七點遞增多項式擬合方法，逐步對整個a-N曲線上的局部七個試驗數據點進行擬合并求導，計算出每個試樣在一系列裂紋長度ai下的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)i。

（1）預算單位自行評價。對經目標審核后的預算單位申報的部門整體支出項目和資金、專項支出項目和資金，要求各預算單位根據全市統一設置的指標體系開展績效自評，自行跟蹤項目實施和資金使用進展，形成績效評價報告。

采用Paris公式來描述裂紋擴展速率(da/dN)與應力強度因子范圍(ΔK)的關系[7]。

(6)

式中：C和m為材料固有的參數。

試樣尺寸、加載載荷、裂紋擴展長度這些因數都影響ΔK，ΔK計算公式如下。

[0.886+4.64a/W-13.32(a/W)2+

(7)

式中：B為試樣厚度,0.012 5 m;W為試樣寬度,0.05 m；a為試驗過程中的裂紋擴展長度，m。

對式(3)兩邊取對數，有：

(8)

根據式(5)可以求出的一系列裂紋長度ai對應的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)，根據式(7)計算ai對應的(ΔK)i，然后對式(8)進行線性回歸擬合，得到Paris公式中的參數C和m。

在裂紋長度為15.5～33 mm[lg(ΔK)為1.44～1.93)之間的lg(da/dN)-lg(ΔK)進行擬合，得到每個試樣的lgC，m和線性相關系數R；對三區域各個CT試樣的lgC和m求平均值，得到三區域的lgC和m的平均值，如表4所示。

區域試樣編號lgCm|R|母材熱影響區焊縫MN-1-6.79082.10310.9969MN-2-6.88542.17800.9970MN-4-7.01932.26950.9975MN-5-6.84812.16100.9968MN-6-7.02482.26680.9969MN-7-6.89892.19670.9967MN-8-6.93922.22250.9970平均-6.91522.1997-H1---H2-8.99313.34450.9629H3---H4-8.31282.96210.9884H5-8.64073.13050.9909H6-8.86713.26380.9777H7-8.45243.0390.9938平均-8.65323.1480-W1-8.92783.26350.9861W2-9.5713.63540.966W3-9.63483.67230.9769W4---W5-9.67343.7320.9706W6-9.92283.88320.947W7-9.23123.44490.9734平均-9.49353.6052-

根據表4數據得到ADB610鋼焊接接頭母材的均值裂紋擴展速率表達式為：

(9)

熱影響區的均值裂紋擴展速率表達式為：

(10)

焊縫的均值裂紋擴展速率表達式為：

(11)

根據式(9)，(10)，(11)繪制裂紋擴展曲線。從圖5可以看出，在整個疲勞裂紋擴展過程中，在裂紋擴展初期(lg(ΔK)<1.81)，母材的裂紋擴展速率最大，其次為熱影響區的，焊縫的最小；在裂紋擴展后期，母材、熱影響區和焊縫的裂紋擴展速率逐漸接近，隨后母材的裂紋擴展速率逐漸低于焊縫的和熱影響區的；焊縫的裂紋擴展速率增加速度最快，其次為熱影響區的，最后是母材的。

圖5　焊接接頭不同區域lg(da/dN)-lg(ΔK)曲線Fig.5　lg(da/dN)-lg(ΔK) curves of different zonesof welded joint

2.2　影響機理

焊接熱過程對焊縫和熱影響區造成微觀組織的變化必然會影響其裂紋擴展速率，加上塑性應變引起的焊接殘余應力也勢必會對裂紋擴展速率造成一定的影響。

由圖6可知，母材的顯微組織基本上為粒狀貝氏體，并彌散分布著粒狀碳化物，晶粒較粗；熱影響區的組織為粒狀貝氏體、針狀貝氏體和少量鐵素體，晶粒較粗，并彌散分布著粒狀碳化物；焊縫的組織為粒狀貝氏體和少量鐵素體，晶粒較細。熱影響區組織中粒狀碳化物在鐵素體晶界析出并形成網狀，這對疲勞裂紋的擴展會形成一定的抗力。焊縫的晶粒較細，抵抗疲勞裂紋擴展的能力比較高。裂紋擴展前期，晶界之間的抗力會對裂紋擴展速率造成一定的影響。由于ADB610鋼焊接接頭焊縫和熱影響區并未進行消除殘余應力的處理，而是直接制取試樣進行疲勞裂紋擴展試驗，由已有的研究結果可知，焊接殘余應力在CT試樣熱影響區和焊縫中裂紋擴展前緣均為壓應力[8]，會引起裂紋尖端閉合，因而在裂紋擴展的前期焊縫和熱影響區的疲勞裂紋擴展速率會略低于母材的。但在裂紋擴展的后期，隨著晶界之間的抗力影響減小，焊接殘余應力的釋放，三個區域裂紋擴展速率會逐漸接近，焊接接頭三個區域之間的裂紋擴展速率相差較小。

圖6　焊接接頭不同區域的顯微組織Fig.6　Microstructure in different zones of welded joint: (a) base material; (b) heat affected zone and (c) welded seam

3結論

(1) 通過疲勞裂紋擴展速率試驗，得到了ADB610鋼焊接接頭母材、熱影響區和焊縫的裂紋擴展速率da/dN-ΔK表達式。

(2) 在裂紋擴展的初期，ADB610鋼焊接接頭焊縫和熱影響區的裂紋擴展速率明顯比母材的慢，焊縫的裂紋擴展速率比熱影響區的慢；在裂紋擴展后期，三個區域的裂紋擴展速率相近。

參考文獻：

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[7]PARIS P C，ERDOGEN F.A critical analysis of crack propagation Laws[J].Journal of Basic Engineering Transactions：ASME Series D,1963,85(3) :528-534.

Fatigue Crack Growth Rate of ADB610 Steel Welded Joints

XUE Bin1, ZHANG Tian-hui2, WANG Shi-yue1, GUO Lin2, XU Ren-ping1

(1. Faculty of Engineering and Technology, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China;

2. Faculty of Engineering and Technology, Yunnan Agriculture University, Kunming 650201, China)

Abstract:The ADB610 steel was welded using shielded metal arc welding method, and the fatigue crack length (a) vs. fatigue life (N) curves was measured by using crack compliance method. Base ona-Ncurves, the fatigue crack propagation rates of each sample from base material (BM), heat affected zone (HAZ) and weld seam (WS) were calculated by fitting a polynomial to a strip of 7 data points and linear regression fitted with stress intensity factor range (ΔK). The figure based on Paris of (da/dN) and (ΔK) was obtained. The results show that the fatigue crack growth rate in BM was higher than that in HAZ and WS, and that in WS was the slowest during the early and middle stage of crack growth; during the last stage of crack growth the difference of fatigue crack growth rate in three regions was not significant.

Key words:ADB610 steel; welded joint; fatigue crack growth rate

中圖分類號：TG142.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0090-05

作者簡介：薛彬(1985-)，男，山東青島人，博士研究生。

收稿日期:2014-08-15；

修訂日期:2015-05-23

導師：徐人平教授