AH36钢含裂纹板与加筋板低周疲劳裂纹扩展试验

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(武汉理工大学 a.交通学院；b.高性能船舶技术教育部重点试验室，武汉 430063)

近年来船舶制造业中广泛应用高强度钢。通常认为，随着材料强度增加，船舶寿命也会相应更长。然而在实际应用中，结构在初始投入使用时内部或表面常常存在一些初始缺陷，在交变载荷作用下会发生扩展致使结构断裂，从而使得结构的整体强度下降。因此，对交变载荷下的裂纹扩展研究有着十分重要的意义[1-6]。船体板与加筋板是船舶结构中最基本、最普遍的部分，也是船舶结构的主要组成部分。以AH36钢为基础材料,采用预制缺口的平板和加筋板试样进行了低周疲劳试验,分析AH36钢在不同载荷、有无加筋时疲劳裂纹扩展速率,总结其变化规律。

1 试验方案

1.1 试验工装及试验材料

试验在室温条件下进行，选用MTS322电液伺服疲劳试验机，试件的实际工装情况见图1。

选用数码显微镜对裂纹扩展进行全程监测。试验采用AH36高强度船用钢,材料成分见表1。

表1AH36高强度船用钢材化学成分及质量分数%

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

1.2 试验设计

试验试件尺寸见图2。试件长度560 mm，厚度3 mm，模型宽度200 mm，实际承受载荷有效区域长200 mm、宽100 mm，预置中心穿透裂纹长16 mm，加强筋单面布置，与平板垂直，加强筋具体尺寸及布置位置见表2。最大外载荷范围100～135 kN，过载比选取范围为1.05～1.10，试验加载频率为1 Hz。试验设计的具体工况见表2。

试验时，数码显微镜位置固定，以获得一致的测量标尺。将试验加载时刻与视频录制时刻严格对应，在试验机器开始加载时刻立即开始录制，试验全程采用高倍放大镜对裂纹扩展过程进行监测，实时记录裂纹扩展情况，高倍放大镜记录的裂纹扩展情况见图3。

表2 试验设计及部分参数

试验采用的平板与加筋板试件板厚较小，可视为薄板结构，由于其承压能力较弱，施加高压载荷后易发生失稳，故采用拉伸循环加载的方式进行疲劳试验，即从0拉伸至最大载荷，未考虑压载荷对裂纹作用[7-8]。

2 试验结果与分析

2.1 平板与加筋板的疲劳裂纹扩展寿命

在应力比与最大外加载荷相同(R=0.1，Pmax=100 kN)(见图4b)时，对比有无加强筋，观察曲线变化，研究加强筋对疲劳裂纹扩展的作用。由于施加载荷相同，加筋板有效承载面积较平板增加，应力减小，加筋板的寿命远高于平板的裂纹扩展寿命，证明加强筋能有效增加船体板的疲劳寿命，但并不能阻止裂纹继续扩展。

恒幅与过载下加筋板的疲劳裂纹扩展寿命对比见表3，R=0.1，ROL=1为常幅工况，单过载峰在1 150次循环载荷处施加，图4c)～e)显示了应力比R=0.1，单过载峰(过载比分别为1.05，1.075，1.10)下加筋板疲劳寿命的试验数据。对比单过载峰工况与恒幅循环载荷工况，过载后的加筋板裂纹扩展寿命提高了。图5f)中，由于过载比相近，裂纹扩展寿命相差不多，但仍可看出，随着过载比增加，裂纹扩展寿命相应增加。

2.2 船体板与加筋板疲劳裂纹扩展速率分析

疲劳裂纹扩展速率是通过实时裂纹扩展长度除以实时循环次数增量获得的，以da/dN-a曲线表示AH36在钢的平板与加筋板在不同扩展阶段时的裂纹扩展速率，见图5。

如图5a)所示，在拉伸循环载荷下，应力比的不同对AH36钢平板试件的裂纹扩展扩展速率da/dN产生较大影响，R的增大使得应力幅值减小，ΔK减小，裂纹扩展速率有明显的降低，这说明AH36钢对应力比效应比较敏感。而且da/dN在初始阶段的增幅要远小于后面的扩展阶段，此初始阶段扩展为裂纹的稳定扩展阶段，单峰过载在此阶段施加。

表3 恒幅循环载荷与过载下加筋板疲劳裂纹扩展寿命

图5b)为加筋板与平板裂纹扩展速率对比，Pmax=100 kN，R=0.1时，平板裂纹从开始扩展到24 mm时可看做裂纹的稳定扩展阶段，加筋板稳定扩展阶段为裂纹从开始扩展至42 mm。由图4a)中可看出平板的稳定扩展阶段循环次数约为1 900次，图4b)可看出加筋板稳定扩展阶段的循环次数约为8 200次，增加加强筋后，裂纹扩展稳定阶段明显增大。随着裂纹长度增加，裂纹扩展速率开始迅速增大，进入高速扩展阶段。

不同过载比下裂纹扩展速率见图6。由图6中可见，试件在过载后会出现裂纹扩展迟滞效应。过载峰施加过后会出现扩展速率的瞬间加速，最大裂纹扩展速率值要高于恒幅加载作用下的扩展速率，但该阶段历时很短。之后为过载后裂纹的迟滞扩展阶段，裂纹扩展速率在快速下降到最低点之后逐渐恢复，随着裂纹的继续扩展，裂纹扩展速率会完全恢复至恒幅加载阶段水平。迟滞效应主要是由于过载载荷后，裂尖附近会产生较大的塑性区，恒幅循环载荷施加后，裂尖附近的塑性区不再继续扩大，裂纹扩展的行为减缓。随着恒幅循环载荷的循环次数增多，过载产生的迟滞效应逐渐减弱，当循环载荷施加至一定次数后，其产生的塑性区超过了过载产生的范围，过载后的迟滞效应消失，裂纹扩展恢复拉伸恒幅循环载荷工况速率，继续向前扩展。

图6表明，当过载比ROL=1.10时，裂纹扩展的迟滞阶段裂纹扩展约为1.3 mm，迟滞扩展最小速率约为2×10-4mm·cycle-1；ROL=1.08时，裂纹迟滞阶段约为1 mm，迟滞扩展最小速率约为5×10-4mm·cycle-1；当ROL=1.05时，裂纹迟滞阶段约为0.5 mm，迟滞扩展最小速率约为6.25×10-4mm·cycle-1。由此可看出，施加不同过载比的单峰拉伸过载载荷后，对裂纹的扩展速率造成一定影响：过载比越大，裂纹产生的过载迟滞效应越明显，过载后的迟滞扩展速率越小。

3 结论

1)AH36钢含裂纹板在恒幅拉伸循环载荷下，应力比增大，应力幅值减小，裂纹扩展速率明显降低，说明AH36钢对应力比效应较敏感。

2)在恒幅拉伸循环载荷下，施加载荷相同，加筋板有效承载面积较平板增加，应力水平降低，裂纹稳定扩展阶段增大，寿命增长。裂纹扩展至加强筋处时，筋板亦会发生断裂，表明加强筋对裂纹扩展有抑制作用，但无法完全阻止裂纹的扩展。

3)在拉伸循环载荷下引入单个拉伸过载对AH36钢的疲劳裂纹扩展性能有很大影响，施加过载后会出现明显的过载迟滞效应。过载比越大，裂纹的迟滞扩展速率越小，迟滞扩展区域更长，迟滞效应越明显，疲劳寿命越长。