AH36鋼含裂紋板與加筋板低周疲勞裂紋擴展試驗

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(武漢理工大學 a.交通學院；b.高性能船舶技術教育部重點試驗室，武漢 430063)

近年來船舶制造業中廣泛應用高強度鋼。通常認為，隨著材料強度增加，船舶壽命也會相應更長。然而在實際應用中，結構在初始投入使用時內部或表面常常存在一些初始缺陷，在交變載荷作用下會發生擴展致使結構斷裂，從而使得結構的整體強度下降。因此，對交變載荷下的裂紋擴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構中最基本、最普遍的部分，也是船舶結構的主要組成部分。以AH36鋼為基礎材料,采用預制缺口的平板和加筋板試樣進行了低周疲勞試驗,分析AH36鋼在不同載荷、有無加筋時疲勞裂紋擴展速率,總結其變化規律。

1 試驗方案

1.1 試驗工裝及試驗材料

試驗在室溫條件下進行，選用MTS322電液伺服疲勞試驗機，試件的實際工裝情況見圖1。

選用數碼顯微鏡對裂紋擴展進行全程監測。試驗采用AH36高強度船用鋼,材料成分見表1。

表1AH36高強度船用鋼材化學成分及質量分數%

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

1.2 試驗設計

試驗試件尺寸見圖2。試件長度560 mm，厚度3 mm，模型寬度200 mm，實際承受載荷有效區域長200 mm、寬100 mm，預置中心穿透裂紋長16 mm，加強筋單面布置，與平板垂直，加強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，試驗加載頻率為1 Hz。試驗設計的具體工況見表2。

試驗時，數碼顯微鏡位置固定，以獲得一致的測量標尺。將試驗加載時刻與視頻錄制時刻嚴格對應，在試驗機器開始加載時刻立即開始錄制，試驗全程采用高倍放大鏡對裂紋擴展過程進行監測，實時記錄裂紋擴展情況，高倍放大鏡記錄的裂紋擴展情況見圖3。

表2 試驗設計及部分參數

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

2 試驗結果與分析

2.1 平板與加筋板的疲勞裂紋擴展壽命

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

恒幅與過載下加筋板的疲勞裂紋擴展壽命對比見表3，R=0.1，ROL=1為常幅工況，單過載峰在1 150次循環載荷處施加，圖4c)～e)顯示了應力比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數據。對比單過載峰工況與恒幅循環載荷工況，過載后的加筋板裂紋擴展壽命提高了。圖5f)中，由于過載比相近，裂紋擴展壽命相差不多，但仍可看出，隨著過載比增加，裂紋擴展壽命相應增加。

2.2 船體板與加筋板疲勞裂紋擴展速率分析

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

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

表3 恒幅循環載荷與過載下加筋板疲勞裂紋擴展壽命

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

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

圖6表明，當過載比ROL=1.10時，裂紋擴展的遲滯階段裂紋擴展約為1.3 mm，遲滯擴展最小速率約為2×10-4mm·cycle-1；ROL=1.08時，裂紋遲滯階段約為1 mm，遲滯擴展最小速率約為5×10-4mm·cycle-1；當ROL=1.05時，裂紋遲滯階段約為0.5 mm，遲滯擴展最小速率約為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，對裂紋的擴展速率造成一定影響：過載比越大，裂紋產生的過載遲滯效應越明顯，過載后的遲滯擴展速率越小。

3 結論

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

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

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