60 kg级埋弧焊丝熔敷金属的疲劳裂纹扩展速率

李晓刚，张　楠，赵爱民

（1.北京科技大学冶金工程研究院，北京100083；2.首钢技术研究院，北京100043）

60 kg级埋弧焊丝熔敷金属的疲劳裂纹扩展速率

李晓刚1，2，张楠2，赵爱民1

（1.北京科技大学冶金工程研究院，北京100083；2.首钢技术研究院，北京100043）

采用MTS-810低频疲劳试验机，在试验频率为10 Hz条件下，应用三点弯曲法对两种60 kg埋弧焊丝熔敷金属进行裂纹扩展速率实验；绘制熔敷金属裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅ΔK之间的关系曲线。结果表明：利用线性拟合法得到H08Mn2SiA焊丝匹配HJ431焊剂及SJ101焊剂的Paris方程C系数分别为7.5×10-42和1.2×10-49，m系数分别为17.32和20.9，计算得出裂纹扩展门槛值ΔKth分别为93.38 MPa·m1/2和101.34 MPa·m1/2。

熔敷金属；疲劳裂纹；扩展速率；ΔK；ΔKth

0　前言

疲劳破坏是工程结构中最常见的一种失效形式，随着高强钢在工程机械、汽车梁架及车轮等动载结构件上的广泛应用，结构的疲劳问题更加突出[1]。从本质上说，疲劳强度是一个局部强度问题，焊接疲劳裂纹主要由缺陷导致。因此，评价材料在缺陷条件下的疲劳裂纹扩展速率是决定疲劳行为的重要特征参量。目前，针对焊接疲劳性能的研究多围绕S-N曲线法开展接头整体力学性能的评价，对疲劳裂纹扩展速率的研究甚少[2]。本研究针对两种60 kg埋弧焊熔敷金属，在恒应力幅控制下对疲劳性能进行测试，得到实验材料的裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅ΔK之间的关系曲线，为工程应用提供参考。

1　试验材料和试验过程

试验用材选用φ4 mm的H08Mn2SiA焊丝分别匹配HJ431焊剂和SJ101焊剂进行熔敷金属试验。熔敷金属化学成分见表1，焊接工艺及力学性能见表2，金相组织如图1所示。H08Mn2SiA焊丝分别匹配HJ431焊剂的熔敷金属显微组织为先共析铁素体+针状铁素体+魏氏组织，而匹配HJ431焊剂的熔敷金属显微组织中无明显魏氏组织。

图1　熔敷金属显微组织Fig.1Microstructures of deposited metal

表1　熔敷金属化学成分Tab.1Chemical compositions of deposited metal ％

表2　熔敷金属焊接工艺参数及力学性能（-20℃）Tab.2Welding procedure and mechanical properties of deposited metal at-20℃

2　疲劳裂纹扩展试验过程

2.1试验原理

疲劳裂纹扩展速率是指构件应力循环一次疲劳裂纹开裂的长度，它综合反映了构件疲劳失效的倾向性。断裂力学中把裂纹的扩展速率da/dN看作是应力强度因子幅值ΔK的函数，其与ΔK的关系在双对数坐标中是一条S形曲线[3]，如图2所示，该曲线可分为三个区域，即典型的疲劳裂纹扩展的三个阶段：Ⅰ区为低速率区，该区可测定疲劳裂纹门槛值ΔKth；Ⅲ区为高速率区，该区裂纹扩展寿命很短，在分析结构寿命时可以将其忽略；而Ⅱ区作为中速率区，da/dN-ΔK有良好的对数线性关系，速率曲线表示为[4]

式中ΔK为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin；C为由试验确定的材料常数；m为直线部分的斜率。

图2　疲劳裂纹扩展示意Fig.2Schematic diagram of crack propagation

2.2试验过程

参照国标GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，对熔敷金属试板取NP方向的三点弯曲SE（B）试样。精加工后的试样尺寸如图3所示，并在MTS-810电伺服疲劳试验机上采用恒定应力的形式，平均应力270 MPa，应力比R为0.05，利用升K控制法。试验前期，在不大于试验力的条件下，人工预制1.1 mm疲劳裂纹，后设定让计算机逐一自动记录裂纹累计扩展0.25 mm时的长度ai及相应的载荷循环次数Ni，其中裂纹长度ai采用引伸计利用柔度法测量，当裂纹累计扩展长度达到9.6 mm时停止试验，试验频率10 Hz。

3　试验结果及分析

以H08Mn2SiA+HJ431焊缝位置疲劳扩展试验过程为例，根据试验过程中记录下的各组裂纹扩展长度a和对应的循环次数N，以循环次数N为横坐标，a为纵坐标，画出a-N曲线如图4所示。根据试验数据，利用软件Origin 8.0拟合出a-N曲线，a0= 3.194 34，A1=0.452 11，t1=-3 128.623，拟合方程为

将式（2）对循环次数N求导，得到da/dN方程

图3　标准SE（B）示意Fig.3Schematic diagram of SE（B）

图4　H08Mn2SiA+HJ431焊后熔敷金属a-N曲线Fig.4a-N Curve of deposited metal with H08Mn2SiA+ HJ431

如前所述，da/dN与ΔK的关系在双对数坐标上呈线性关系，因此首先要计算出对应于每个裂纹长度的ΔK值。根据断裂力学理论，标准三点弯曲试样的裂纹尖端强度因子范围计算表达式为[5]

式中ΔP为试验加载范围；S、B、W、a分别为试件跨度、试件宽度、试件高度和裂纹长度。

将式（4）求出的ΔKi与对应(da/dN)i数据进行回归，即可得da/dN与ΔK的关系曲线。但在试验分析过程中往往采用双对数坐标，因此在本试验中也计算[lg（da/dN）]i和（lgΔK）i，试验计算出的（da/ dN）i与ΔKi值以及［lg（da/dN）］i与（lgΔK）i值如表3所示。

表3　da/dN及ΔK数据Tab.3Data of da/dN and ΔK

绘制lg（da/dN）-lgΔK曲线并线性第二阶段线性部分，得到拟合方程

式中m=17.32，C=7.5×10-42。

故对于H08Mn2SiA+HJ431焊缝位置的Paris方程应为

两种熔敷金属的疲劳裂纹扩展[lg（da/dN）]i-（lgΔK）i关系曲线如图5所示。若定义裂纹扩展速率为1×10-7mm/cycle时的应力场强度因子幅定为疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth，则H08Mn2SiA焊丝匹配HJ431焊剂及SJ101焊剂的ΔKth分别为93.38MPa·m1/2和101.34MPa·m1/2。而两种熔敷金属测试时采集的第一个数据点所对应的应力场强度因子ΔK分别为142.48 MPa·m1/2和142.23 MPa·m1/2，证明在记录到第一个裂纹数据时裂纹就已经处在裂纹扩展的第二阶段；此外，纵向对比第一个数据点的疲劳裂纹扩展速率发现，匹配SJ101焊剂的熔敷金属具有更低的疲劳裂纹扩展倾向，而裂纹扩展后期反而增大，这主要是因为在裂纹尖端强度因子ΔK较小时，匹配SJ101焊剂的熔敷金属组织中大量的针状铁素体可有效阻碍裂纹扩展；而在疲劳峰值应力较为接近熔敷金属屈服强度的条件下，随着ΔK持续增加，疲劳裂纹扩展速率增大。

结构疲劳裂纹的产生分为

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Crack propagation rate of deposited metal of 60 kg level submerged arc welding wire

LI Xiaogang1，2，ZHANG Nan2，ZHAO Aimin1
（1.Research Institute of Metallurgical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

On the low-frequency fatigue tester MTS-810 with frequency of 10 Hz，the crack propagation rate of deposited metal using 60 kg level submerged arc welding wire was tested by three-point bending method.The relationship between the propagation rate da/dN and the amplitude of stress intensity factor was given.The results showed that the coefficient C/min Paris equation of deposited metal with HJ431 and SJ101 were determined as 7.5×10-42/17.32 and 1.2×10-49/20.9 respectively，and the threshold value of crack propagation ΔKthwas 93.38 MPa·m1/2and 101.34 MPa·m1/2respectively.

deposited metal；fatigue crack；propagation rate；ΔK；ΔKth

TG405

A

1001－2303（2016）04－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.21

2015-12-23

李晓刚（1980—），男，山西人，高级工程师，博士，主要从事金属材料成形技术、结构优化设计、碰撞安全分析等方面的研究工作。