起重机用Q355钢母材与焊接接头试件拉压扭转疲劳性能研究

杨军斌 罗振坤 刘 浩 张 雷 康笃刚

1重庆市特种设备检测研究院 重庆 401121 2国家市场监管重点实验室（西部复杂环境机电设备安全） 重庆 401121 3重庆大学航空航天学院 重庆 400044

0 引言

起重机械广泛应用于港口码头、建筑施工地、工厂车间、物流仓库等领域，为众多行业的发展提供了劳动力和技术保障。起重机结构大多由金属焊接结构件组成，长期使用或运行中的高能量积聚，不能避免机械疲劳断裂风险的存在。据统计，疲劳破坏是其主要失效形式（40%～60%的起重机结构是在动载荷作用下发生疲劳破坏[1]）。

截止到2021年底，我国起重机械产品的投入使用超过了700万台（特种设备目录内起重机械登记数量为273万台），多数在役起重机械即将到达使用寿命期限[2,3]。如果过早地对起重机械进行修复、更换或报废处理，将形成资源浪费造成经济成本增高；如果对起重机械不及时修复、更换或报废处理，极易引起严重的事故发生并造成经济损失，故对起重机械产品的疲劳寿命评估具有实际经济意义[4]。

Q355钢是起重机械的常用钢材，自Q345钢材升级为Q355钢以来，其力学数据的变化尚未见有报到。为此，本文对起重机用Q355钢及其对接焊接接头试件开展单轴拉压和扭转高周疲劳试验，对其疲劳性能进行分析，对实际的工程项目具有一定的实用价值。

1 试验概况

试验所用材料为Q355低碳钢，母材试件由板材直接加工成漏斗形试样，外形尺寸如图1所示。焊接接头试件是先将2块钢板对接焊接，然后将焊接后的板材加工成母材的尺寸，其加工图如图2所示。焊接填充料为TIG-50，其成分如表1所示。

图1 Q355低碳钢母材试样

图2 Q355低碳钢焊接试样

表1 TIG-50的化学成分(wt/%)

单轴拉压和扭转疲劳试验均在MTS.809电液伺服拉扭组合疲劳试验机上进行，试验环境为室温、大气、加载控制分别为轴向载荷和扭矩控制，加载频率为10 Hz，试验采用正弦波，应力比R=-1。疲劳寿命定义为从开始加载到试件完全断裂的加载周期数，试件夹持及试验加载波形如图3所示。

图3 试件夹持及加载波形

2 试验结果

在开始疲劳试验前，对母材进行静力拉伸试验，试件尺寸如图1所示，得到图4所示载荷-位移曲线。

图4 Q355钢载荷-位移曲线

由图4可知，Q355钢的屈服强度为358 MPa，抗拉强度为519 MPa，比GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[5]中规定的Q345钢抗拉强度为490 MPa略有提升，故有必要对其疲劳性能进行进一步研究。考虑到实际工程应用中常采用焊接结构[6、7]，对其焊接接头试样的疲劳性能也需进行分析。

对母材和焊接接头试件各进行了4级应力水平的单轴拉压和纯扭转疲劳试验，试验应力均低于材料屈服强度。根据前期的拉伸试验结果，单轴拉压试验的应力水平分别为 265 MPa、275 MPa、285 MPa和 295 MPa，纯扭转试验的应力水平分别为209.3 MPa、216.5 MPa、223.7 MPa和230.9 MPa。试验结果如表2、表3所示。其中，Nf表示疲劳破坏寿命，N50表示对数中值寿命。

表 2 母材试件单轴疲劳试验结果

表 3 焊接接头试件单轴疲劳试验结果

由表2可知，在相同加载条件下，母材与焊接接头试件的拉压疲劳中值寿命基本一致，扭转疲劳中值寿命有一定差异，焊接接头试件寿命分析性显著大于母材试件的。

3 试验结果处理与分析

3.1 所选取的数据拟合模型

应力-寿命曲线（S-N曲线）是描述应力幅值与疲劳寿命之间定量关系的重要方法，不同学者采用不同的S-N曲线模型对数据进行分析[8-10]。Basquin模型、指数模型和三参数幂函数模型被广泛应用于工程实际中，被收录进多个标准中，如JGJ/T 27—2014、GB/T 24176—2009、MIL-HDBK-5J、GB/T 24176—2009 等[11-13]，其数学表达式与对数表达式分别为：

Basquin模型简单，只有2个参数，在高应力水平时预测疲劳寿命较准确，但在低应力水平时，疲劳寿命预测误差较大。指数模型与Basquin模型类似，只有2个参数且预测效果基本一致，但其公式更便于计算。三参数幂函数模型有3个参数，参数计算较为复杂且有一定的适用条件，在不满足适用条件时会退化为Basquin模型，但在满足使用条件的情况下求解出的结果准确性相比另2个模型更准确[14-16]。

3.2 各模型对试验数据的处理与分析

3.2.1 Basquin模型

母材与焊接接头试件的单轴拉压和纯扭转试验的应力-寿命散点图以及采用Basquin模型对散点进行拟合的结果如图5所示。

图5 单轴拉压和纯扭转加载下母材与焊接接头试件S-N曲线

由图5可知，Basquin模型对母材的拉压和扭转疲劳试验结果拟合效果较好，中值寿命点基本落在拟合曲线上或分布在曲线的附近；该模型对于焊接接头试件的拉压和扭转疲劳试验结果拟合效果较母材的差，中值寿命点在拟合曲线两侧较分散。

3.2.2 指数模型

采用指数模型对母材与焊接接头试件的单轴拉压和纯扭转试验的应力-寿命散点图进行拟合，拟合结果如图6所示。由图6可知，指数模型对不同试验数据的结果与Basquin模型的拟合结果基本一致，也是对母材拉压和扭转疲劳试验结果的拟合效果优于焊接接头试件的。

图6 单轴拉压和纯扭转加载下母材与焊接接头试件的指数S-N曲线

3.2.3 三参数幂函数模型

三参数幂函数模型中的S0代表疲劳极限，由线性相关系数优化的方法得到，具体计算过程见文献[12]。采用三参数幂函数模型对前面试验结果进行处理，发现对于母材拉压和扭转以及焊接接头试件拉压疲劳试验数据进行分析后三参数幂函数模型退化为Basquin 模型，对试验数据的拟合结果与图5a、图5b、图5c相同。采用该模型对焊接接头试件纯扭转疲劳试验数据分析后，计算得到S0＝206.66 MPa，该模型对焊接接头试件纯扭转疲劳试验数据拟合结果如图7所示。

图7 纯扭转加载下焊接试的三参数幂函数模型S-N曲线

由图7可知，三参数幂函数模型在适用的情况下拟合效果良好，试件的中值寿命都在拟合曲线的附近，其拟合效果优于相同试验条件下的Basquin模型、指数模型的拟合效果。

3.3 所选模型对试验结果拟合效果

3种模型的S-N曲线数学表达式汇总及对应的反应拟合优度的确定系数R2如表5所示。由R2的结果可以看出，不同模型对母材试件疲劳寿命的拟合度都很高；对于焊接接头试件而言，Basquin模型和指数模型的拟合度都较低，而三参数幂函数模型对焊接接头试件扭转疲劳试验结果的拟合度较高。

表5 3种模型的S-N曲线数学表达式汇总

4 结论

本文针对起重机主梁用Q355钢母材及其焊接接头试件开展了拉压与扭转疲劳试验，得到了不同加载条件下的S-N散点图，并采用工程应用中常见的Basquin模型、指数模型和三参数幂函数模型对试验结果进行处理与分析，得到如下结论：

1）Q355钢的屈服强度为358 MPa，抗拉强度为519 MPa，比GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中规定的Q345钢的抗拉强度为490 MPa有一定提升；

2）在相同的加载条件下，母材试件与焊接接头试件的拉压疲劳中值寿命差别不大，焊接接头试件寿命的分散性比母材试件的更大；

3）Basquin模型与指数模型都能较好地拟合母材试件拉压疲劳与扭转疲劳的S-N散点图；对于焊接接头试件扭转疲劳试验结果，三参数幂函数模型的拟合效果显著优于另2个模型。