高超載比超載對(duì)Q345鋼的疲勞性能的影響*

孟祥峰，張運(yùn)來(lái)，余啟航

(長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064)

0 引 言

疲勞是材料在循環(huán)荷載作用下的損傷累積過(guò)程，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，降低結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命[1]。疲勞斷裂是當(dāng)今工程結(jié)構(gòu)的主要失效形式之一[2]。金屬結(jié)構(gòu)的疲勞失效分為疲勞裂紋的萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段，其中，穩(wěn)定擴(kuò)展階段作為金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要控制階段，成為各國(guó)學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[3]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)投資增加，橋梁的建設(shè)重視程度也在增加。具有結(jié)構(gòu)輕盈、承載力高、施工便利等優(yōu)勢(shì)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁更是大跨度橋梁的首選形式[4]。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，橋梁會(huì)受到車流和風(fēng)力的作用，處于交變的載荷下工作，即橋梁服役時(shí)會(huì)受到疲勞載荷作用。隨著時(shí)間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生疲勞破壞，危害人身安全，造成經(jīng)濟(jì)損失。在實(shí)際工況中橋梁會(huì)不可避免的發(fā)生超載效應(yīng)，即在橫幅交變載荷作用時(shí)，突然增加的載荷會(huì)降低其后來(lái)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。因此有必要研究拉伸超載對(duì)Q345鋼疲勞壽命的影響，來(lái)準(zhǔn)確預(yù)估橋梁的剩余疲勞壽命，并且也可以通過(guò)人工超載提高橋梁的疲勞壽命。

一般認(rèn)為，影響材料疲勞壽命超載效應(yīng)的主要因素是超載引起的殘余壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[5]采用彈塑性有限元方法，對(duì)恒幅及不同超載比的單次超載作用下的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行有限元模擬，證明從殘余應(yīng)力角度分析裂紋擴(kuò)展是可行的，為建立基于殘余應(yīng)力的裂紋擴(kuò)展模型提供分析基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[6]對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲的制造過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，分析不同循環(huán)加載條件對(duì)冷拔珠光體鋼絲殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。

目前研究大多集中在低超載比超載，因此，筆者通過(guò)在萌生裂紋后進(jìn)行高超載比超載，通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，研究高過(guò)載比超載對(duì)Q345鋼的疲勞性能的影響，并分析其延壽機(jī)理。

1 試樣及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用厚度為10 mm的Q345鋼，其化學(xué)成分如表1所列，將材料制成標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸(CT)試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試樣如圖1所示。

圖1 CT試樣形狀及尺寸

表1 Q345化學(xué)成分表 /%

試驗(yàn)機(jī)器型號(hào)為INSTRON 8801型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試樣的裂紋擴(kuò)展方向與軋制方向垂直，采用載荷控制方式，其中母材試樣施加幅值為12 kN，應(yīng)力比為0.025，頻率為10 Hz的正弦波形載荷；超載的試樣施加相同載荷使疲勞裂紋擴(kuò)展至20 mm處，然后保持施加30 kN靜載荷1 h，最后繼續(xù)使用與母材相同的載荷使疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)a-N曲線和da/dN-ΔK對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行擬合。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

母材(PM)以及超載(OL)試樣的裂紋長(zhǎng)度、疲勞壽命(a-N)曲線如圖2所示。從圖中可知，超載試樣超載前的a-N曲線與母材重合，壽命基本一致。當(dāng)施加載荷128 275周次，即裂紋擴(kuò)展至20 mm時(shí)進(jìn)行載荷為30 kN的超載，超載會(huì)引起裂尖鈍化并會(huì)產(chǎn)生具有較大殘余應(yīng)力的塑性區(qū)，因此超載試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率下降，獲得較多的疲勞壽命。母材的疲勞壽命為208 245周次，當(dāng)超載試樣疲勞壽命達(dá)到母材的315.5%，即超載試樣超載后的528 787周次時(shí)疲勞裂紋從超載位置擴(kuò)展了0.76 mm，所以高超載比超載可以有效的提高疲勞壽命。

圖2 母材及超載試樣的a-N曲線

母材以及超載試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋擴(kuò)展速率da/dN-ΔK對(duì)數(shù)曲線如圖3所示。拉伸超載有四個(gè)顯著現(xiàn)象：裂紋擴(kuò)展速度在超載后立即開(kāi)始短加速；裂紋擴(kuò)展速率急劇下降到最小點(diǎn)；裂紋擴(kuò)展最小點(diǎn)后逐漸增加；裂紋擴(kuò)展速率恢復(fù)到預(yù)超載斜率。從圖中可以看出超載試樣超載前速率與母材一致，超載后疲勞裂紋擴(kuò)展速率急劇下降，處于常規(guī)超載的第二個(gè)階段。當(dāng)超載試樣疲勞壽命達(dá)到母材的3倍時(shí)，曲線并沒(méi)有出現(xiàn)速率逐漸增加恢復(fù)至與母材相同的趨勢(shì)。也可以說(shuō)明高超載比超載對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用。

圖3 母材及超載試樣的da/dN-ΔK曲線

3 結(jié) 論

采用對(duì)CT試樣保持拉伸超載的方法，通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，研究超載比為2.5時(shí)超載對(duì)Q345鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，分析其改善疲勞性能的機(jī)理。主要得出如下結(jié)論。

(1) 在疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試樣進(jìn)行超載比為2.5的超載，可以有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，抑制裂紋擴(kuò)展，延長(zhǎng)試樣的疲勞壽命。

(2) 較高的超載比超載使試樣引入了殘余壓應(yīng)力，使得有效應(yīng)力強(qiáng)度因子降低至應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值附近，從而降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

(3) 將較高超載比的超載應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁等結(jié)構(gòu)，能夠有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。