全尺寸疲勞試件疲勞斷口分析

胡艷華，牛虎理，劉 劍

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

疲勞斷裂是焊接結(jié)構(gòu)最常見的失效機(jī)制之一[1]。由于疲勞破壞是低應(yīng)力作用下?lián)p傷累積的結(jié)果，使得各種因素對(duì)疲勞破壞的影響十分敏感。所有焊接接頭均含有缺陷或不連續(xù)區(qū)域，其形式為幾何尺寸缺陷或冶金缺陷，如各種裂紋、未熔合、高硬度部位等；而這些缺陷又常位于應(yīng)力集中處，因此研究焊縫接頭形式及焊接缺陷對(duì)于提高對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂過程的認(rèn)識(shí)有重要意義。

疲勞斷口記錄了斷裂過程的許多信息。由于應(yīng)力條件差異，疲勞斷口有其獨(dú)特的特征，而這些特征又會(huì)受到材料本身的性質(zhì)、應(yīng)力大小及狀態(tài)、環(huán)境因素的影響而發(fā)生變化，所以疲勞斷口的分析是研究疲勞斷裂機(jī)理、分析斷裂原因的重要手段之一。根據(jù)疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展過程，典型的疲勞宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)域：疲勞源、穩(wěn)擴(kuò)區(qū)和瞬斷區(qū)[1]。疲勞源為疲勞裂紋的萌生地，一般發(fā)生在構(gòu)件表面存在應(yīng)力集中的部位，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，也可在構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生；穩(wěn)擴(kuò)區(qū)的宏觀特征為該區(qū)域常呈現(xiàn)出垂直于疲勞裂紋擴(kuò)展方向的貝殼狀或海灘波紋狀的條紋，這些貝殼狀的推進(jìn)線是在使用過程中循環(huán)應(yīng)力振幅變化或載荷大小改變等所遺留下的痕跡；瞬時(shí)斷裂區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生快速擴(kuò)展并導(dǎo)致構(gòu)件瞬時(shí)斷裂而形成的端口區(qū)域，其宏觀特征與靜載斷裂的斷口一樣，脆性材料為結(jié)晶狀斷口，延性材料為放射性或人字紋花樣，在構(gòu)件邊緣形成剪切唇。

為了滿足海洋隔水管的全尺寸疲勞性能評(píng)定要求和工程應(yīng)用需求，本文針對(duì)多接頭隔水管剛度大、載荷施加難度大的特點(diǎn)，開展了φ323.9 mm×18 mm海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗(yàn)研究，并通過高清相機(jī)和三維視頻顯微鏡對(duì)疲勞試件的斷口進(jìn)行了宏觀和微觀觀察與分析，為疲勞失效分析提供了重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 多接頭全尺寸疲勞試件制備

全尺寸疲勞試驗(yàn)采用的隔水管材質(zhì)為X65 鋼，其規(guī)格為φ323.9 mm×18 mm×10 000 mm，管材化學(xué)成分見表1，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率如表2所示[2]。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

表2 力學(xué)性能

管道全尺寸疲勞試驗(yàn)接頭形式為環(huán)焊縫對(duì)接接頭，環(huán)焊縫采用雙V 型復(fù)合坡口型式，坡口形式和尺寸如圖1所示，焊接方法為STT 打底+自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊填充、蓋面。

圖1 坡口形式及尺寸

為了消除封頭效應(yīng)對(duì)加載試驗(yàn)結(jié)果的影響，兩端采用焊接堵頭封堵；在一端堵頭上制作進(jìn)（出）水口，進(jìn)（出）水口共用同一根軟管，在另一端距離管道端部不遠(yuǎn)處鉆一小孔，并焊上閥門，用于排出管道內(nèi)部的空氣[2]。

1.2 全尺寸疲勞試驗(yàn)的載荷施加方式

海洋隔水管全尺寸疲勞試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲+內(nèi)壓聯(lián)合加載方式，相位角為0°，即作動(dòng)器同步動(dòng)作。彎曲加載時(shí)，作動(dòng)器傳輸?shù)募虞d載荷作用在對(duì)稱于環(huán)焊縫的位置，確保最大彎矩在管道環(huán)焊縫處。內(nèi)壓加載通過連接在管道端部的液壓子站施加，加載載荷在管道圓周截面內(nèi)引起相同數(shù)值的周期應(yīng)力[3]。通過設(shè)定不同的波形、應(yīng)力比和內(nèi)壓壓力，可模擬管道在不同受力狀態(tài)和內(nèi)部介質(zhì)壓力狀態(tài)下的工況，以測(cè)試多接頭隔水管的全尺寸疲勞性能。

1.3 疲勞斷口分析試塊的制備

全尺寸管道疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)全尺寸管道疲勞破壞的外部特征判斷疲勞源部位，采用氣割方法以疲勞裂紋源為中心，初步截取尺寸大約為600 mm×500 mm 的分析用試塊。為防止氣割過程中溫度過高導(dǎo)致疲勞斷口受熱氧化而影響分析效果，所以保持氣割切口與疲勞源具有足夠的距離，同時(shí)在氣割過程中采用濕布覆蓋疲勞源部位的辦法對(duì)取樣的區(qū)域進(jìn)行冷卻。氣割后，疲勞試件發(fā)生內(nèi)外貫穿的斷裂，試塊的裂紋遠(yuǎn)比氣割前在疲勞試件外表面觀察到的裂紋更明顯，這主要是因?yàn)樵跉飧钸^程中裂紋周圍區(qū)域受熱膨脹而使裂紋進(jìn)一步張開，以及氣割后樣塊裂紋又失去了周圍約束的緣故。

使用高清相機(jī)、三維視頻顯微鏡對(duì)試塊拍攝宏觀斷口形貌照片，進(jìn)行疲勞斷口觀察分析，綜合全尺寸試樣的疲勞信息，分析確定影響疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞試塊的宏觀分析

（1）圖2為疲勞試塊表面宏觀照片。疲勞斷口試塊被切割為左、中、右三段，分別標(biāo)記為試塊I、II、III。圖2（a）～（c）是管道內(nèi)表面高清照片；圖2（d）～（f）為對(duì)應(yīng)位置外表面照片，其中虛線為內(nèi)表面焊縫焊趾位置。

觀察管道內(nèi)表面，疲勞裂紋沿焊縫一側(cè)焊趾開裂，如圖2（a）～（c）所示。從外表面看，疲勞裂紋擴(kuò)展路徑較為復(fù)雜：試塊I 中裂紋穿過其中一條焊道焊縫區(qū)后沿兩條焊道結(jié)合位置擴(kuò)展，如圖2（d）；試塊II 中裂紋沿兩條焊道結(jié)合位置開裂，如圖2（e）；試塊III 中裂紋在其中一條焊道焊縫區(qū)“曲折”擴(kuò)展，直至終止，如圖2（f）。

圖2 疲勞試塊表面宏觀照片

（2）圖3為試塊I 疲勞斷口宏觀照片。圖中虛線將斷口大致分成了三個(gè)區(qū)域，其中A1、A2區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)域，B 區(qū)為瞬間斷裂區(qū)。試樣內(nèi)、外表面附近均出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展區(qū)A1、A2（斷口形貌有對(duì)稱的特征），一方面由于試樣承受雙向彎曲載荷；另一方面，表明管道內(nèi)、外表面均有裂紋萌生。結(jié)合圖2分析可知，內(nèi)表面裂紋起源于管道內(nèi)表面焊趾位置，向外擴(kuò)展形成A1區(qū)；外表面裂紋起源于兩條焊道的結(jié)合位置，向內(nèi)擴(kuò)展形成A2區(qū)；裂紋擴(kuò)展到剩余面積不足以承擔(dān)最大疲勞載荷時(shí)，發(fā)生靜強(qiáng)度（即過載）斷裂失效，形成粗粒區(qū)B。

圖3 試塊I 斷口宏觀照片

（3）圖4為試塊II 疲勞斷口宏觀照片。斷口邊緣存在明顯的棘輪狀標(biāo)志，表明該處應(yīng)力集中嚴(yán)重；結(jié)合圖2（e）分析可知，該應(yīng)力集中發(fā)生在兩條焊道結(jié)合處。在管線鋼多道焊過程中，第一焊道焊接熱影響區(qū)受第二焊道焊接熱作用，會(huì)形成再熱熱影響區(qū)。該區(qū)域微觀組織呈現(xiàn)出的復(fù)雜性和不均勻性致使焊縫疲勞抗力下降[4-5]。

圖4 試塊II 斷口宏觀照片

2.2 多接頭全尺寸試塊疲勞斷口的微觀分析

為進(jìn)一步分析疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，運(yùn)用三維視頻顯微鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行進(jìn)一步觀察和分析，選取典型、有代表性的疲勞斷口微觀照片如圖5所示。

圖5 試塊II 疲勞斷口微觀照片

觀察圖5（a），疲勞斷口靠近管道內(nèi)表面的區(qū)域（包括焊趾位置）存在斷續(xù)的焊接未熔合，如圖中A、B 區(qū)所示；其中A 區(qū)覆蓋了焊趾位置。分析圖5（b），管道外表面附近的疲勞斷口同樣存在熔合不良的區(qū)域（C 區(qū)）；結(jié)合2.1 節(jié)的分析，可知該區(qū)域出現(xiàn)在兩條焊道的結(jié)合處，表明本試驗(yàn)中兩條焊道未完全融合。一方面，焊縫未熔合缺陷會(huì)造成構(gòu)件有效承載面積減??；另一方面，未熔合區(qū)域處于構(gòu)件形狀不連續(xù)甚至發(fā)生突變的焊趾和兩條焊道結(jié)合位置，因此這些區(qū)域應(yīng)力集中嚴(yán)重，在疲勞加載中易作為疲勞裂紋源而顯著加速管道的疲勞破壞。

3 分析與討論

試驗(yàn)所用全尺寸疲勞試件焊接接頭中存在未熔合等不連續(xù)性缺陷，這些缺陷會(huì)造成焊縫有效承載面積減小，引起缺陷位置的應(yīng)力集中。在試件承受循環(huán)載荷時(shí)，缺陷位置易誘發(fā)裂紋或引起開裂，降低試件的疲勞壽命；另一方面，也使焊接接頭中的疲勞裂紋產(chǎn)生階段往往只占整個(gè)疲勞過程中一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間。

從以上對(duì)疲勞斷口的觀察可知，疲勞抗力的薄弱部位分別為試件內(nèi)表面的焊趾與外表面兩條焊道的結(jié)合位置。分析原因有以下幾個(gè)方面：其一，焊縫與母材（或第二條焊道與第一條焊道）之間存在的形狀突變導(dǎo)致了應(yīng)力集中；其二，焊趾和兩道焊縫結(jié)合位置存在熔合不良缺陷，降低了有效承載面積，加重了應(yīng)力集中；其三，焊接熱過程或再熱過程在焊趾和兩條焊道結(jié)合位置引入了不可忽視的殘余拉應(yīng)力[6]；其四，這兩處位置在焊接熱過程或再熱過程的作用下，會(huì)出現(xiàn)微觀組織粗化甚至生成脆性組織，導(dǎo)致了疲勞抗力下降[7]。

由圖2（f）可以看到，裂紋在其中一條焊道焊縫區(qū)“曲折”擴(kuò)展且最終終止擴(kuò)展。這是由于焊縫中存在垂直于焊道的柱狀晶，其取向與裂紋擴(kuò)展方向成一定角度，裂紋在擴(kuò)展過程中必須斜切過柱狀晶，其擴(kuò)展也因此受到較大阻力，最終導(dǎo)致焊道中裂紋路徑較為曲折，疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值得到了提高[7]，因此焊縫區(qū)具有較好的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)用全尺寸疲勞試件焊接接頭中存在的未熔合等不連續(xù)性缺陷降低了試件的疲勞壽命。

（2）試驗(yàn)用全尺寸疲勞試件疲勞抗力的薄弱部位分別為試件內(nèi)表面的焊趾與外表面兩條焊道的結(jié)合位置。焊縫區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑較為曲折，表明試件具有較好的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能。

（3）可通過采取加寬對(duì)接接頭間的間隙、清潔坡口污染物等措施，防止內(nèi)側(cè)表面焊縫的未熔合；也應(yīng)設(shè)法降低內(nèi)側(cè)表面焊縫余高，打磨外表面焊縫，以減小形狀不連續(xù)導(dǎo)致的應(yīng)力集中，最終提高全尺寸試件的抗疲勞壽命。