表面裂纹在不同控制模式下的扩展特性

2010-04-26张利娟高灵清张亚军

中国测试 2010年2期

张利娟，高灵清，张亚军

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471039）

1 引言

压力容器在使用中常常由于间断操作和开停工作、温度变化、运行工艺压力波动以及外加载荷的反复变化等原因，使其承受交变载荷的作用，往往很容易萌生表面裂纹，并在外载荷作用下逐渐扩展，最终发生疲劳破坏[1-2]。据统计，压力容器破坏事故中有40%～50%是由疲劳裂纹引起的，而且大多属于低周疲劳[3-4]。因此，有必要对压力容器低周疲劳表面裂纹的扩展规律进行研究。

为模拟压力容器具有表面裂纹时的特征，船标CB/Z 264-1998《金属材料低周疲劳表面裂纹扩展速率试验方法》[5]中介绍了一种用于悬臂弯曲加载表面裂纹扩展修正了的Gross板弯曲试样[6]，如图1所示。左侧100 mm长为约束面，右侧260 mm长为上下周期摆动的臂，约束面与摆动臂之间为一个半径为55mm的圆弧，圆弧上下对称，在上圆弧几何中心处通过铣切的方法加工一个矩形截面的切口，切口长4mm，宽1.5 mm，深度为1.25 mm；然后将半径为4.25 mm的刀刃放在切口内，并施加400N的预载荷，采用千分表控制压下距离，压下距离约为0.43 mm，使其锐化长度在切口两端部对称，总锐化长度为1.0mm。张亚军等[7]曾证明该试样圆弧部分处于双向应力状态，且垂直于表面裂纹扩展方向的应力为沿裂纹扩展方向应力的两倍，满足压力容器内压圆筒的应力分析[8]，可以用来模拟具有表面裂纹的压力容器壳体部位，因此，行业内常使用此类型试样来进行金属材料低周疲劳表面裂纹扩展速率试验。

对低周疲劳而言，由于构件的应力峰值可以达到或超过材料的屈服点，为了保证试验控制的精度，一般采用应变作为控制参量来研究材料的抗疲劳性能[9]。试验经验表明，在悬臂弯曲加载方式下，控制应变进行疲劳试验远比控制应力困难，因而此船标指出可以通过调整载荷或位移实现应变控制。

图1 试样形状与尺寸

该文采用应变、载荷和位移三种控制模式，获得了悬臂弯曲加载状态下低周疲劳表面裂纹扩展特性，比较分析了试验结果，为工程应用选择提供参考。

2 试验方法

针对高强钢压力容器面临的突出疲劳问题[10]，试验选择800MPa级的10CrNi5Mo高强钢在具有悬臂弯曲加载系统的PWS-50型电液伺服动静万能试验机上进行，加载频率f=1Hz，正弦波形，控制应变、载荷和位移的最小最大值之比为-1。表面裂纹长度采用放大倍数为30倍的光学显微镜测量，测量精度为0.01mm。在试样加工有表面裂纹的圆弧一侧距试样边缘5 mm处沿试样圆弧方向粘贴国产BE120-8AA型号应变片，使应变片有效电阻丝的中心线与表面裂纹锐化刀口尖端位于同一直线上。应变片通过动态应变仪接入计算机，最后通过计算机实现表面裂纹前缘总应变的连续控制或监测。试验时先预制裂纹，选取试验材料屈服应变的0.65作为预制裂纹的最大应变范围，在此应变范围下，表面裂纹长度扩展至8mm时预制疲劳裂纹完成。对已预制好疲劳裂纹的每一试样，按应变范围Δε1进行表面裂纹扩展试验，直到可以建立裂纹扩展速率，再把下一个较高的应变范围Δε2施加于试样，建立Δε2下的裂纹扩展速率，……，直到建立Δε7的裂纹扩展速率为止。试验分别采取应变、载荷和位移控制模式，按从低到高的级别顺序完成相应试验。以不同模式同一级别达到一致的表面裂纹长度增量为基准来确定该级别的作用时间，且应变片的粘贴位置严格保持一致，从而尽量保证表面裂纹长度与裂纹前缘总应变幅关系的唯一性。

不同应变范围水平的表面裂纹扩展速率d（2c）/dN按下式计算：

式中：[d（2c）/dN]i——第i级应变范围水平下的表面裂纹扩展速率；

（2c）i——第i级应变范围水平下Ni循环次数的表面裂纹长度；

Ni——第i级应变范围水平下的循环次数。

2.1 应变控制

根据压力容器所承受压力的不同，试验选用7个应变级别，应变幅值分别为 3 000 με，3 600 με，4 000 με，4800με，5600με，6400με，7200με。试验过程中采集裂纹扩展时对应的各级别的载荷和位移的峰谷值。

应变片基于金属丝的电阻应变效应，即通过电阻的变化测量其变形量[11]，已广泛应用于模型的应力应变分析测试。虽然应变片具有灵敏度高、测量结果可靠等优点，但对此加载方式下具有特殊形状的试样而言，应变片被粘贴在凹槽部位并作为控制信号使用，试验周期又较长，应变片很容易脱胶或疲劳失效而导致试验失败。因此，采用应变模式控制具有一定的试验难度。

2.2 载荷控制

取应变控制时相应级别载荷幅值的平均值作为载荷控制时该级别的控制参数，分别为3.20 kN，3.78 kN，4.20 kN，5.00 kN，5.60 kN，6.07 kN，6.60 kN。试验过程中记录并采集位移和裂纹前缘应变两参数的峰谷值。

2.3 位移控制

和载荷控制类似，同一级别下，取应变控制所对应位移幅值的平均值作为控制参数，分别为5.40mm,6.49mm，7.02mm，8.50mm，9.62mm，11.07mm，12.16mm。试验过程中同时记录和采集载荷及裂纹前缘应变两个参数的峰谷值。

3 结果与分析

每个控制模式采用两个试样进行，将应变、载荷及位移任一控制模式所采集得到的另两个变量的峰谷值进行数据回归处理，则这两个试样体现出相同的变化规律，结果见图2（上曲线为峰值，下曲线为谷值）。

应变控制时（图 2（a）、（b）），载荷和位移的变化趋势一致：其峰谷值在裂纹扩展初期变化不大，随裂纹的继续扩展，均逐渐向负向增加，且这种趋势越来越明显。随着应变范围的增加，试样表面的塑性变形会加大，裂纹前缘部位粘贴的应变片随之会被拉长，产生一定的残余应变；同时裂纹尖端随裂纹的扩展离应变片越来越近，应变片受应变集中的影响越来越大，所产生的残余应变也会越来越大（此残余应变真实地记录了试样的变形状态，试验过程中不宜人为清零或更换应变片）。将每个级别结束时应变片的残余应变记录下来（见表1），可看到残余应变随着应变级别的提高而逐渐增大。在下一级别应变控制时，为了保证应变比为-1，应变片提供的正应变将减少，负应变将增加；载荷和位移根据应变片的实际变形量则会表现出图中的变化趋势。

表1 不同应变级别下应变片的残余应变

载荷控制时（图 2（c）、（d）），位移的峰谷值变化不大，随载荷级别的提高，位移的幅值保持稳定增长，从而呈现出向两个方向发散的现象。应变则由于残余应变的存在向正向偏离，总应变幅随载荷级别的提高而增大。

位移控制时（图 2（e）、（f）），随裂纹的扩展，应变的峰谷值呈现出由变化不大到渐渐趋向于峰值的趋势，且这种趋势越来越明显，这同样是因为应变片的残余应变引起的。在第5级别时，正应变由于试样的塑性变形过大导致应变片变形达到量程，该值不再变化。载荷的峰谷值在整个过程中几乎没有变化，只有在高级别时才表现出下降趋势。

可见，应变、载荷和位移之间的对应关系并不恒定，即使是采用应变控制过程中载荷和位移的平均值作为控制参数，得到的结果还是和预期应变值有较大差别（见表2）。调整载荷或位移来确保应变控制时，需要根据事先确定的各应变级别（尤其是高应变级别）中应变与载荷或位移的对应函数关系实时对控制参数进行调整，这样无疑会增加试验的操作难度和工作强度。为了更方便地研究表面裂纹的扩展特性，应该进一步完善应变片的使用方法，或者寻找其他实现应变控制的方法。

对不同控制模式下的对应名义总应变范围ΔεT和表面裂纹扩展速率d（2c）/dN数据进行回归处理，获得d（2c）/dN～ΔεT关系曲线。将各控制模式不同级别对应的应变范围最大最小值与表面裂纹扩展速率的数据分布绘制在同一坐标系下（见图3）。可见，表面裂纹扩展速率在载荷和位移控制模式下相差不大，且都高于应变控制模式。