摘要 在船舶及海洋工程結構等許多工業(yè)領域其零部件受交變載荷的作用，在服役 期內構件常常發(fā)生疲勞破壞。而結構發(fā)生疲勞破壞的地方往往是比較薄弱的焊接 接頭。本文介紹了改善焊接接頭疲勞強度的超聲沖擊方法，并比較了q 2 3 5 和 q 3 4 5 焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的疲勞強度。 對于q 2 3 5 ，在l x l o7 循環(huán)周次下由焊態(tài)的2 1 1 m p a 提高到超聲沖擊態(tài)的 3 3 0 m p a ，提高了5 6 ，在l x l 0 9 循環(huán)周次下由焊態(tài)的8 2 m p a 提高到了2 2 4 m p a ， 提高了1 7 3 ；對于q 3 4 5 ，在l x l 07 循環(huán)周次下由焊態(tài)的2 2 5 m p a 提高到超聲沖擊 態(tài)的3 8 3 m p a ，提高了7 0 0 0 ，在l x l 0 9 循環(huán)周次下由焊態(tài)的8 9 m p a 提高到了 2 2 6 m p a ，提高了1 5 4 。根據試驗結果，建議對于普通焊態(tài)接頭，以l x l 0 7 作為 設計曲線轉折點，循環(huán)周次低于l x l 07 時s - n 曲線斜率采用m = 3 進行設計，循 環(huán)周次高于l x l 07 時s - n 曲線斜率采用m = 5 進行設計；對于超聲沖擊強化接頭， 在整個疲勞壽命區(qū)間都采用m = 1 0 的斜率進行壽命設計。 分析了超聲沖擊改善焊接接頭疲勞強度的機理，發(fā)現(xiàn)超聲沖擊主要通過在焊 趾區(qū)形成的表層壓應力、表層形變硬化和塑性變形、增加了接頭處過渡半徑等幾 個方面影響焊接接頭疲勞行為的。 對q 2 3 5 和q 3 4 5 鋼焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的疲勞試樣斷口進行了觀察分析發(fā) 現(xiàn)：表面型疲勞裂紋源是主要的疲勞裂紋萌生方式；超聲沖擊處理態(tài)的一些試樣 中的裂紋起源于超聲沖擊的振動擠壓作用造成的表層或次表層微裂紋，有著與焊 態(tài)不同的斷裂模式。 最后初步探討了q 3 4 5 在焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的雙周疲勞強度，無論雙周載 荷按外包絡線表征還是只按低周載荷部分計算而忽略高周成分，只要最大應力值 小于材料的屈服強度，沖擊處理試件的疲勞強度總是高于焊態(tài)試件的疲勞強度， 疲勞強度高出的程度隨著載荷應力水平的增加而減小。 關鍵詞：超聲沖擊殘余應力屈服強度雙周疲勞 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lf i e l do fs h i pa n dm a r i n ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，m a n yo fi t sp a r t s a n dc o m p o n e n t sa r ea f f e c t e db ya l t e r n a t i n g1 0 a d t h ef a t i g u ef a i l u r eo f t e no c c u r si n s e r v i c ee n l i s t m e n t h o w e v e r , f a t i g u ef a i l u r eo r e no c c u r si nu n s u b s t a n t i a lw e l d e d j o i n t s mp a p e ri n t r o d u c e sa nu l t r a s o n i cp e e n i n gm e t h o dt oi m p r o v et h ef a t i g u e s t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t s ，a n dc o m p a r et h ef a t i g u es t r e n g t ho fq 2 3 5a n dq 3 4 5i n t r e a t e da n da s - w e l d e d f o rq 2 3 5 ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c hh a sb e e ne n h a n c e df r o m2 11 m p at o 3 3 0 m p ai nl x l o 7 c y c l et i m e s i ti n c r e a s e s5 6 1 1 1 ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c hh a s b e e ne n h a n c e df r o m8 2 m p at o2 2 4 m p ai nl x l o c y c l et i m e s i ti n c r e a s e s1 7 3 f o r q 3 4 5 ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c hh a sb e e ne n h a n c e df r o m2 2 5 m p at o3 8 3 m p ai n lxlo 7c y c l et i m e s ，i ti n c r e a s e s7 0 t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw h i c h h a sb e e ne n h a n c e d f r o m8 9 m p at o2 2 6 m p ai nlx l0 c y c l et i m e s i ti n c r e a s e s15 4 b a s e do nt h et e s t r e s u l t s ，t h ep a p e rs u g g e s t su s i n gl x lo 7 c y c l et i m e s a sa t u r n i n gp o 缸i nt h ed e s i g nf o r a s w e l d e dj o i n t s w h e nt h ec y c l et i m e si sl e s st h a nl x l 07 ，y o u db e t t e ru s em = 3t o d e s i g ns ns l o p eo fc u r v e 。w h e nt h ec y c l et i m e si sm o r et h a nlx lo7 ，y o u db e t t e ru s e m = 5t od e s i g ns - ns l o p eo fc u r v e f o rt h eu l t r a s o n i cp e e n i n gs t r e n g t hw e l d e dj o i n t s ， y o u db e t t e ru s em = l ot od e s i g ns ns l o p eo fc u r v ei nt h ew h o l er a n g eo ff a t i g u el i f e t l l i sp a p e ra n a l y s i st h em e c h a n i s mo fi m p r o v i n gt h ef a t i g u es t r e n g t ho fw e l d e d j o i n t si na nu l t r a s o n i cp e e n i n gm e t h o d t h e r ew e r es e v e r a la s p e c t sw h i c hh a da n i m p o r t a n ti m p a c to nf a t i g u eb e h a v i o r ，s u c ha ss u r f a c ec o m p r e s s i v es t r e s sw h i c hi s f o r m e di nt o ez o n e ，s u r f a c ed e f o r m a t i o nh a r d e n i n ga n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n , i n c r e a s i n g t r a n s i t i o nr a d i u so f j o i n t f o rq 2 3 5a n dq 3 4 5s t e e li na s w e l d e da n du l t r a s o n i cp e e n i n gs t a t e , t h e o b s e r v a t i o no ff a t i g u ef r a c t u r et e l l st h a ts u r f a c ef a t i g u ec r a c ks o u r c ei st h em a i nm o d e o ff a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o n s o m es p e c i m e n sw h oa r ei nu l t r a s o n i cp e e n i n gs t a t e , c r a c k o r i g i n a t ef r o ms u r f a c eo rs u b - s u r f a c em i c r o c r a c k sc a u s e db yc o m p r e s s i o no ft h e u l t r a s o n i cv i b r a t i o n t h ef r a c t u r em o d ei sd i f f e r e n tf r o mw h i c ho fa s - w e l d e ds t a t e f i n a l l y , t h ep a p e rp r e l i m i n a r i l ys t u d i e st h ec o m b i n e df a t i g u es t r e n g t ho fq 3 4 5i n a s w e l d e da n du l t r a s o n i cp e e n i n gs t a t e w h e t h e rc o m b i n e d1 0 a di sc h a r a c t e r i z e db y o u t s o u r c i n g c u r v e so ro n l yb yl o w c y c l el o a dw h e ni g n o r i n gt h eh i g h - c y c l e c o m p o n e n t s ，a sl o n ga st h em a x i m u ms t r e s sv a l u ei sl e s s t h a nt h em a t e r i a ly i e l d s t r e n g t h , t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft r e a t e ds p e c i m e ni sa l w a y sh i g h e rt h a nt h a to f 船一w e l d e ds p e c i m e n , t h ed e g r e em a yi n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fl o a d i n gs t r e s s l e v e l k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cp e e n i n g r e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s s ：y i e l ds t r e n g t h ； c o m b i n e df a t i g u e 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得丞湟太堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：襄義承簽字r 期：磯。甲年6 月z 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解丞洼太堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權丞洼太堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名： 襄孓談 簽字同期：。7 年月2 日 導師簽名： 孑碣 一期；1 年月鈔日 第一章緒論 1 1 選題背景及意義 第一章緒論 目前焊接已經成為工程結構上的最主要連接方法，焊接結構重量占鋼鐵總產 量5 0 以上。然而，焊接結構的斷裂事故卻頻繁發(fā)生，其中8 0 - - - 9 0 為疲勞失 劃啦】。這些疲勞失效頻繁地發(fā)生在鐵路公路橋梁、發(fā)電站管道和海洋工程結構、 高速客車車體和轉向架以及水輪機葉片的焊接部位，造成巨大的經濟損失。通過 分析發(fā)現(xiàn)：上述焊接部位疲勞斷裂是在經過1 0 。7 周次循環(huán)載荷作用之后發(fā)生的【3 】o 然而，傳統(tǒng)觀點認為在此壽命區(qū)間內疲勞斷裂是不會發(fā)生的，因為它已進入無限 壽命區(qū)間。鑒于常規(guī)疲勞理論和事實之間的矛盾出現(xiàn)，研究在長壽命區(qū)間焊接接 頭的疲勞斷裂行為就極具理論和應用價值。 傳統(tǒng)的疲勞理論認為當應力循環(huán)周次達到5 1 0 6 次之后s - n 曲線將出現(xiàn)水 平段，該水平段對應的數(shù)值即為材料的疲勞極限。限于試驗設備的發(fā)展水平，上 述理論一直被作為結構疲勞設計中最重要的參考。2 0 世紀8 0 年代開始，日本的 研究者率先發(fā)現(xiàn)高強鋼在超高循環(huán)周次下【4 j ( 1 0 8 次應力循環(huán)) 疲勞極限消失的 現(xiàn)象。但是使用常規(guī)疲勞試驗機來完成超長壽命試驗幾乎是不現(xiàn)實的，一臺3 0 h z 的疲勞試驗機完成1 0 9 次應力循環(huán)需要一年時間。必須采用更高的頻率加載。近 年來，得益于國內外的超聲疲勞試驗技術迅速發(fā)展，進行普通材料或焊接接頭超 長壽命疲勞試驗成為可能。一臺加載頻率為2 0 k h z 的超聲疲勞試驗設備完成1 0 9 次應力循環(huán)只需要1 4 個小時。此后日、法等國研究人員相繼進行了一系列材料 的超長壽命疲勞試驗1 5 】，試驗的結果證實了1 0 億次循環(huán)區(qū)不存在疲勞極限，因 此傳統(tǒng)結構強度設計理論在超高周次循環(huán)下不再適用。 然而在橋梁、海洋工程等典型的焊接結構中，焊接接頭所承受的雙周疲勞載 荷的高頻循環(huán)載荷其循環(huán)次數(shù)通常在1 0 8 1 0 1 0 之間，甚至有的達到了1 0 ，因 此探索焊接結構在高頻下的疲勞強度是眼下研究的熱點。由于超聲沖擊技術對于 提高焊接接頭疲勞強度、延長其疲勞壽命有較明顯的效果，因此本文針對橋梁焊 接結構常用的q 2 3 5 和q 3 4 5 鋼，使用超聲疲勞試驗技術研究其焊接接頭在焊態(tài) 和超聲沖擊處理態(tài)超長壽命區(qū)間的疲勞行為，探索傳統(tǒng)焊接結構疲勞設計規(guī)范在 超長壽命條件下使用的安全性和可靠性問題，以及使用超聲沖擊改善焊接接頭疲 勞性能的可行性。 第一章緒論 1 2 超聲疲勞試驗技術 自人們開展焊接結構疲勞性能的研究工作以來，焊接疲勞積累的大量的試驗 數(shù)據和理論模型，然而這些工作大都集中在低周疲勞與高周疲勞階段。而低周疲 勞的循環(huán)次數(shù)低于1 0 5 ，高周疲勞的循環(huán)次數(shù)介于1 0 5 1 0 7 之間。對于循環(huán)周次 超過1 0 8 以上的疲勞行為，幾乎沒有研究。造成這種局面的主要有三個原因： 1 ) 焊接疲勞試驗需要較長的時間和較高的費用。由于循環(huán)載荷特征、外部 環(huán)境、溫度、焊接缺陷等因素導致了焊接疲勞數(shù)據的分散性( 尤其在高周疲勞階 段1 ，需要大量的試件來獲得疲勞壽命和了解疲勞機理： 2 ) 對于大量應用的鐵系合金，在2 1 0 6 周次內，隨著循環(huán)周次n 的增大， 其s n 曲線變得越來越平緩，似乎存在一個水平漸進線，即傳統(tǒng)意義上的疲勞極 限。低于該極限，焊接結構似乎不會發(fā)生疲勞失效； 3 ) 實際應用中許多焊接結構件的設計疲勞壽命很少超過1 0 7 1 0 8 周次，以 2 1 0 6 周次以內的疲勞數(shù)據作為設計依據就夠用了。 超聲疲勞試驗技術是指以超聲頻( 1 5 k 一2 2 k h z ) 的外加信號來激勵試件諧振， 在試件中產生諧振波，沿著試件長度方向建立縱向位移、應力應變場，從而實 現(xiàn)超聲頻疲勞的加載。超聲疲勞試驗技術在歐美各國得到迅速發(fā)展，研究領域也 逐漸拓寬，并且引起了尖端科技特別是航空航天界的高度重視。 超聲疲勞試驗技術具有節(jié)省時間、快速獲取材料超高周疲勞性能的顯著優(yōu) 點，可以在一定的時間里完成較多的試驗，很適合用來模擬雙周疲勞載荷中的高 頻【6 】o 1 3 影響焊接接頭疲勞強度的因素 要想研究焊接接頭的疲勞性能，就必須對影響焊接接頭疲勞強度的諸多因素 有所了解。制造普通焊接結構的時候，一般采用熔化焊接的方法，多數(shù)情況下需 要一定的填充金屬，故而在接頭部位留有余高，凹坑及各種焊接缺陷而造成嚴重 的應力集中，同時還產生一定數(shù)值的焊接殘余應力。焊接接頭在應力集中，焊趾 熔渣缺陷及焊接殘余拉應力的聯(lián)合作用下，導致疲勞強度嚴重降低。下面就影響 焊接接頭與結構疲勞強度的這幾個主要的因素進行詳細的闡述。 1 3 1 接頭形式 在焊接結構常用的接頭形式中，對接接頭因其傳力線受到的干擾較小，故而 應力集中系數(shù)較小，其疲勞強度也優(yōu)于其他接頭形式。盡管未經處理的對接接頭 2 第章緒論 疲勞強度與母材相比仍然差很多，但依然是是設計中優(yōu)先考慮采用的接頭形式。 對于具有余高的對接接頭，應力集中發(fā)生在焊趾處。疲勞裂紋一般在接頭焊趾部 位的焊縫或熱影響區(qū)內產生，然后根據接頭的形狀特征，裂紋可向基體金屬擴展， 也可以向焊縫金屬擴展。 十字接頭或者t 形接頭在焊接結構中也有廣泛的應用。這種接頭形式由于在 焊縫向基本金屬過渡處具有明顯的截面變化，其應力集中系數(shù)要比對接接頭的應 力集中系數(shù)高一些，因此十字或t 形接頭的疲勞強度低于對接接頭。對于焊縫承 受工作應力的十字接頭，分開坡口焊透與不開坡口兩種情況。不開坡口未焊透的 十字接頭，斷裂一般發(fā)生在焊趾處，更有可能發(fā)生在焊根部位。開坡口焊透的十 字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處【_ ”。 1 3 2 焊趾區(qū)幾何形狀 相同類型的焊接接頭，其疲勞強度仍在很大范圍內變化。這是因為有一列的 因素影響著疲勞強度。由于應力集中系數(shù)的不同，焊接接頭的焊趾幾何形狀對疲 勞強度的影響最大，并且母材強度級別越高，這種影響就越明顯。影響焊接接頭 焊趾區(qū)應力集中程度的幾何形狀參數(shù)主要有以下兩個方面 1 ) 焊趾過渡半徑的影響 研究表明，焊趾區(qū)過渡半徑對焊接接頭的疲勞強度具有重要的影響。隨著過 渡半徑的增加( 過渡角0 保持不變) ，其疲勞強度也相應的增加。 2 ) 過渡角的影響 過渡角的增加，其疲勞強度也會相應的增加。 1 3 3 母材靜強度對焊接接頭疲勞強度的影g 向1 7 1 對于原始焊接接頭來說，鋼材的接頭疲勞強度與母材本身的抗拉強度沒有關 系。這個規(guī)律適合對接、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式。 這是由于在焊趾部位距離表面0 5 m m 左右處一般存有熔渣等缺陷，該缺陷 較尖銳，相當于疲勞裂紋提前萌生，因而接頭在一定應力幅下的疲勞壽命，主要 由疲勞裂紋擴展階段決定。也就是說，焊接接頭的疲勞強度與母材的靜強度關系 不大，而主要是由接頭的幾何外形造成的應力集中程度所決定。 1 3 4 焊接殘余應力對接頭疲勞強度的影響 當焊接結構中焊縫附近存在殘余拉應力時，會大大降低接頭的疲勞強度：存 在殘余壓縮應力的時候，會使得焊接接頭的疲勞強度和壽命增加。 第一章緒論 1 4 疲勞破壞形式及斷裂的微觀機理【8 】 材料的疲勞破壞可以以多種形式表現(xiàn)，最常見的有以下幾種。疲勞破壞如按 受力方式不同，可分為彎曲疲勞、拉壓疲勞、扭轉疲勞和復合載荷疲勞。如按載 荷與時間的關系確定與否，疲勞破壞可分為定常疲勞( 載荷與時間有確定的函數(shù) 關系) 和隨機疲勞( 隨機載荷作用下的疲勞) 。但是按疲勞破壞前材料所經歷的 循環(huán)周次來劃分疲勞破壞的形式是目前研究工作的主要方向，按此方式疲勞破壞 可分為p 一1 1 】： 1 ) 低周疲勞：疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)低于1 0 4 - 1 0 5 ，又稱低循環(huán)疲勞。其特 點是作用于構件的應力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)，應力和應變成非線性關系。 表征材料低周疲勞性能的有應變一壽命( e - n ) 曲線和循環(huán)應力一應變曲線，疲 勞試驗過程中通過應變幅來控制，故低周疲勞又稱應變疲勞： 2 ) 高周疲勞：疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)高于1 0 5 以上，又稱高循環(huán)疲勞。其特 點是作用于構件的應力水平低于材料的屈服強度，材料處于宏觀彈性變形狀態(tài)， 應力和應變呈線性關系，表征材料高周疲勞性能的是應力一壽命曲線( s n 曲 線) 。高周疲勞試驗通過應力幅來控制，故高周疲勞又稱應力疲勞。因為高周疲 勞是各種機械中最常見的疲勞破壞形式，故又簡稱疲勞； 3 ) 超高周疲勞：傳統(tǒng)意義上的疲勞研究，受試驗條件和試驗設備以及載荷 頻率的限制，高周疲勞研究范圍常限制在1 0 7 以內。隨著現(xiàn)代工程技術的發(fā)展， 各種動力機械的構件在服役期實際承受的疲勞循環(huán)次數(shù)已遠高于1 0 7 周。因此有 關材料在l o7 周次以上超長壽命的疲勞行為研究開始引起人們的重視，為此將循 環(huán)破壞在1 0 5 1 0 7 周次范圍內的疲勞稱為高周疲勞，而將循環(huán)破壞次數(shù)在1 0 7 周 次以上的疲勞稱為超高周疲勞。在超高周疲勞范圍內，循環(huán)應力幅遠低于材料的 屈服強度。傳統(tǒng)疲勞研究認為材料在1 07 周次附近存在一個疲勞極限，構件載荷 應力幅低于該疲勞極限的時候，材料有無限壽命。近三十年來，隨著對材料超高 周疲勞性能研究的發(fā)展，已有許多研究成果顯示，材料在1 07 周次以上超高周疲 勞階段仍然發(fā)生疲勞斷裂。由于材料在1 07 循環(huán)周次以上的超高周疲勞行為涉及 超長壽命條件下服役構件的安全性，因此材料超高周疲勞性能的研究工作開始受 到工程界的廣泛重視，特別是在歐美等工程技術發(fā)達的國家和地區(qū)。 許多研究表明在常規(guī)高周疲勞( h c f ) 范圍內( 1 0 6 1 07 循環(huán)周次) 疲勞裂 紋在試樣表面萌生，而在超高周疲勞( u h c f ) 范圍內，疲勞裂紋在試樣內部缺 陷處萌生，即材料存在疲勞裂紋表面萌生和內部萌生兩種機l j t t ：z , 1 3 l 。有關疲勞裂 紋內部萌生機制對應的疲勞壽命( s n ) 曲線的形態(tài)存在爭議，m u r a k a m i 1 4 】和 n i s h i j i m a 、k a n a z a w a | 1 5 等人認為材料在l o7 循環(huán)周次附近有一個表面疲勞萌生極 4 第一章緒論 限，稱為表面疲勞極限，應力幅低于表面疲勞極限，表面萌生機制對疲勞破壞不 再起作用，疲勞破壞將以疲勞裂紋內部萌生方式產生，并認為疲勞裂紋內部萌生 機制對應的s n 曲線在一定低的應力幅時會出現(xiàn)另一個疲勞極限，即內部疲勞極 限。但m u r a k a m i 又對此作了一些變動，認為疲勞裂紋內部萌生機制對應的s - n 曲線沒有疲勞極限，將隨應力幅的下降連續(xù)下降。b a t h i a s m 】的工作也提出了同樣 的觀點，認為超高周疲勞裂紋在內部萌生，其s n 曲線沒有疲勞極限和無限壽命。 疲勞斷裂往往發(fā)生在承受交變或波動應變的構件中。一般來說對應于該應變 的最大應力要低于材料的抗拉強度，甚至低于材料的屈服點，因此斷裂往往是無 明顯塑性變形的低應力斷裂。疲勞斷裂一般由三個階段所組成：即疲勞裂紋的形 成；裂紋擴展；殘余截面不能再承受施加載荷時構件發(fā)生斷裂。可以說，這三個 階段之間沒有嚴格界限，例如疲勞裂紋“產生”階段的定義就帶有一定的不確定 性，這主要是因為不同研究領域采用不同的裂紋檢測技術引起的。從研究疲勞機 制出發(fā)，有人采用電子顯微鏡，把裂紋長到1 0 4 m ( 1 0 0l am ) 之前定義為裂紋產 生階段，但從工程實用角度出發(fā)，則又可以把以低倍顯微鏡( x1 0 ) 看到之前的 裂紋定義為裂紋產生階段。同樣“殘余截面不能再承受施加載荷 一般也根據結 構的類型而定。因此在實際工程中預測材料疲勞壽命是很復雜的。在研究疲勞問 題中，傳統(tǒng)的方法是以造成疲勞裂紋產生和形成失效的裂紋擴展所需的整體應力 循環(huán)次數(shù)來表達的，過去經常認為疲勞壽命主要決定于裂紋產生，而造成失效的 疲勞裂紋擴展只占疲勞壽命的很少部分。但是隨著裂紋檢測技術的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)裂 紋的增大和擴展是決定疲勞壽命的主要因素。如果仔細地分析疲勞斷口，可以看 到在疲勞核心周圍，存在著以疲勞核心為交點的非常光滑、非常細潔、貝紋線不 明顯的狹小區(qū)域。這是由于疲勞裂紋在該區(qū)擴展速度很慢以及裂紋反復張開和閉 合而使斷面磨光的緣故。這個區(qū)域從本質上看已屬于疲勞裂紋擴展區(qū)。對于材料 的疲勞破壞來說，可以把典型的疲勞失效斷裂表面分成三個區(qū)域：疲勞核心區(qū)、 疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破壞區(qū)。它們分別表征著疲勞壽命中的三個過程【1 。7 1 9 】。 第一階段：對應于裂紋產生，第一區(qū)域不大，最多為2 5 個晶粒范圍。在 每個晶粒中，其斷裂表面是沿著一定晶面進行的( 注意不要與解理面相混淆) ， 即當疲勞裂紋的核心一旦在試樣表面滑移帶或缺陷處晶界上形成后，立即沿滑移 帶的主滑移面向金屬內部擴展，此滑移面的走向大致與正應力呈4 5 度交角。當 裂紋遇到晶界時，其位向稍有偏離，但就裂紋的宏觀平面的總體來說，仍保持與 應力方向的滑移面擴展，在某些情況下，第一階段的表面很難辨認。 第二階段：裂紋依第一階段方式擴展一定距離后將改變方向，沿與正應力相 垂直的方向擴展，此時正應力對裂紋的擴展將產生重大影響。疲勞裂紋擴展區(qū)是 疲勞失效斷口上最重要的特征區(qū)域。 5 第一章緒論 第三階段：為最后斷裂階段，它是由超載造成的，斷口可能是脆性的，也可 以是延性的，也可以二者兼而有之。 1 5 本文研究內容 第一章為緒論，主要介紹了超生沖擊提高焊接接頭疲勞壽命的研究背景和意 義，影響焊接接頭疲勞強度的因素，并按照循環(huán)周次依次介紹了低周、高周、超 高周疲勞，和疲勞斷裂的微觀機理。 第二章主要介紹了試件制備，疲勞性能測試方法，并對疲勞試驗數(shù)據進行處 理，并根據鋼結構疲勞設計規(guī)范對現(xiàn)行的數(shù)據處理方法進行了修正。 第三章詳細分析了超聲沖擊改善焊接接頭疲勞強度的機理。從表面殘余應 力、沖擊處理區(qū)表層形變硬化和塑性變形、焊趾區(qū)幾何形狀等幾個方面進行了探 討。 第四章介紹了結構材料的疲勞失效特征和疲勞裂紋的萌生及擴展，并通過斷 口形貌觀察，分析了夾雜物和微小裂紋等影響疲勞壽命的因素，并對比了焊態(tài)和 超聲沖擊態(tài)下的斷裂模式。 第五章簡單介紹了q 3 4 5 在焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)下的雙周疲勞強度，將所獲得 的各組試驗結果進行統(tǒng)計處理，得到不同最大應力值下的焊態(tài)和超聲沖擊處理試 件所分別對應的雙周疲勞應力循環(huán)周次之間的關系曲線( 5 0 存活率下的洲曲 線) 。 第六章總結全文，得出結論。 6 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 2 1 超聲沖擊法的應用背景 一般較重要的焊接構件都采用高強度鋼制造，隨著鋼材抗拉強度的提高，其 疲勞強度也相應增大。研究表明，對于焊后不做加工處理的高強度鋼結構焊縫而 言，由于在焊趾處應力集中等因素的作用下，其疲勞強度并不隨抗拉強度的提高 而增大，故無法體現(xiàn)出使用高強度鋼的優(yōu)越性。因此，盡管超細晶粒結構鋼等高 強度鋼材本身的強度和使用壽命大幅度提高，但在具體的鋼結構上焊接接頭的質 量和性能才是制約結構強度和壽命的主要因素。只有對焊縫進行加工處理，才能 根本改善其性能，從而提高整個結構的疲勞強度。 研究和實踐表明，疲勞斷裂是金屬結構失效的主要形式，尤其是一些承受動 載嚴重的重要結構。在整個結構中，焊接接頭一般為薄弱的環(huán)節(jié)。而焊接接頭的 疲勞破壞一般起裂于它的焊趾部位。因此如果能改善焊趾處疲勞裂紋的起裂性 能，將有效地提高焊接結構的疲勞強度。相關傳統(tǒng)方法如鎢極亞弧焊熔修法、機 械打磨法、爆炸法、噴丸法、過載法、局部壓延法、局部加熱法以及錘擊法，這 些方法有的仍停留在試驗室階段，有的勞動強度大，且生產效率不高。傳統(tǒng)的焊 后熱處理對于超細晶粒結構鋼鋼材的現(xiàn)實意義比較大。目前應用較多的是普通錘 擊法、t i g 熔修法和噴丸法。普通錘擊法噪聲大、效率低、勞動強度大、可控性 差且效果很不穩(wěn)定。況且t i g 熔修法施工工藝復雜，操作不當反而會造成副作 用。噴丸法是實際應用較多的一種，但存在噪聲大、設備龐大、耗電量大等不利 于節(jié)能、不能方便地移動作業(yè)、野外施工困難等缺點。由于丸粒反彈，還存在安 全防護問題，且丸粒需要回收清型2 0 】。 筆者采用超聲沖擊的方法提高焊接接頭及結構疲勞強度。該方法在國外已經 廣泛采用，在國內還是剛剛起步，其提高疲勞強度的機理與錘擊和噴丸基本一致。 都是通過改變焊縫表面的基本外形和調整焊接殘余應力場來改善疲勞性能的。由 于其執(zhí)行機構輕巧、可控性好、使用靈活方便、噪音小、效率高、適用性強、成 本低而且節(jié)能環(huán)保，超聲沖擊已初步顯示出其對于改善接頭疲勞性能的獨特優(yōu) 勢。 7 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 2 2 試件的制備 試驗分別選用碳素結構鋼q 2 3 5 和低合金結構鋼q 3 4 5 作為接頭材料。其力 學性能如下表2 1 所示。 表2 - 1 試驗材料的力學性能 材料屈服強度抗竽強度延伸率( ) os m p aob m p a q 2 3 5 2 6 7 44 3 5 52 6 o 兩種材料的試件分成原始母材和超聲沖擊處理對比件，均為十字焊接接頭， 共四組。對于超聲沖擊試件，將超聲沖擊槍對準試件焊趾部位且基本垂直于焊縫， 沖擊頭的沖擊針陣列沿焊縫方向排列。略施加一定的壓力，使其基本在執(zhí)行機構 ( 沖擊槍) 自重的條件下，進行沖擊處理。 + 為了獲得較好的改善疲勞強度的效果，以0 5 m m i n 的處理速度，來回沖擊 處理4 次。沖擊處理過程中，沖擊槍在垂直于焊縫的方向做一定角度的擺動，以 便使焊趾部位獲得更好的光滑過渡外形。各組試件幾何外形及尺寸見圖2 1 。 1 0 5 ( a ) 焊態(tài)接頭 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 1 0 5 h h ( b )超聲沖擊態(tài)接頭 圖2 - 1 試件幾何形狀與尺寸( m m ) 2 3 疲勞試驗數(shù)據處理方法 在自制的超聲疲勞試驗裝置上完成。試驗施加載荷為軸向拉壓對稱循環(huán)載 荷，應力比r - 1 ，加載頻率約2 0 k h z 。試驗在室溫下進行，采用水冷方式控制 試件溫度升高。 根據國際焊接學會制定的統(tǒng)計方法 2 1 對相應疲勞試驗數(shù)據進行處理。該方 法首先假設疲勞試驗結果符合對數(shù)正態(tài)分布，然后用具有斜率m 且分別對應k 倍正負標準差的兩條標稱s - n 曲線形成一數(shù)據分散帶( k 為特征值) ，指定的存 活概率為9 5 ，置信度為7 5 。 標稱值通過下述過程計算： ( 1 ) 計算所有疲勞試驗數(shù)據點的應力范圍6 以及循環(huán)次數(shù)n 以1 0 為底的對 數(shù)值。 ( 2 ) 采用冪函數(shù)模型回歸計算指數(shù)m 和常數(shù)l o g c 值： m l o g 仃+ l o g n = l o g c( 2 1 ) ( 3 ) 設c i 是試驗數(shù)據的對數(shù)值，利用所獲得的1 1 1 值，計算l o g c 的平均值c m 和標準方差s t d v ： yc ， c 用= 鱗( 2 2 ) s t d v = 9 ( 2 3 ) 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 ( 4 ) 計算特征值c k ： g = c m k s t d v 2 4 疲勞試驗數(shù)據 表2 - 2q 2 3 5 焊態(tài)疲勞試驗結果 表2 3q 2 3 5 超聲沖擊態(tài)疲勞試驗結果 1 0 ( 2 4 ) 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 表2 - 4q 3 4 5 焊態(tài)疲勞試驗結果 表2 - 5q 3 4 5 超聲沖擊態(tài)疲勞試驗結果 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 2 5 s n 曲線 將兩組材料的試件分別進行疲勞試驗，得到的數(shù)據按處理狀態(tài)的不同分為焊 態(tài)和超聲沖擊處理態(tài)分別繪出其對應的s - n 曲線。 瑩 口 司 叵 櫻 r 落 一- r 一1 ，焊態(tài)s - n 曲線5 0 存活率 一1 # - - 1 ，超聲沖擊態(tài)s - n 曲線5 0 9 6 寺括 圖2 - 2q 2 3 5 焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)s - n 曲線 1 2 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 時 a - 皇 o 司 匝 櫻 r 毯 凸一 = o q 匝 檄 文 翅 0 4 3 _ r = - i ，焊態(tài)s n 曲線5 0 存活率 i 卜l ，超聲沖擊態(tài)s 刊曲線5 0 存活 1 e 71 e 8 疲勞壽觥剛e 圖2 - 3 q 3 4 5 焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)s - n 曲線 疲勞壽命n c y c l e 圖2 _ 4 q 2 3 5 和0 3 4 5 焊態(tài)s - n 曲線 1 3 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 亂 至 o 司 回 糖 較 翅 活 活 圖2 - 50 2 3 5 和0 3 4 5 超聲沖擊態(tài)s - n 曲線 分別提取圖2 _ 2 - - 一2 5 中平均s - n 曲線在l x l 0 7 及l(fā) x l 0 9 循環(huán)周次下的疲勞強 度，并將比較結果列于下表中。 表2 - 6q 2 3 5 鋼和q 3 4 5 鋼焊態(tài)與超聲沖擊態(tài)疲勞強度對比 由圖2 - 1 2 2 可以看出，q 2 3 5 和q 3 4 5 十字接頭的超聲沖擊態(tài)的疲勞強度 與焊態(tài)的疲勞強度相比大大提高了，高出的程度隨著載荷的增大而減小，二者呈 現(xiàn)相似的特征。由圖2 4 看出，經過超聲沖擊處理后，q 3 4 5 的疲勞強度都落在 了q 2 3 5 之上，至少說明，隨著母材強度級別的提高，超聲沖擊處理的效果越明 1 4 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 顯。 從表2 - 6 可以看出：當循環(huán)周次在l x l o7 條件下，q 2 3 5 十字焊接接頭焊態(tài)時 的疲勞強度是超聲沖擊態(tài)強度的6 3 9 ，q 3 4 5 十字焊接接頭焊態(tài)時的疲勞強度 是超聲沖擊態(tài)強度的5 8 7 。從圖2 - 1 2 - 4 看出，在超長壽命區(qū)間焊接接頭，無 論是原始焊態(tài)還是超聲沖擊態(tài)其s n 曲線都一條連續(xù)下降的曲線，雖然超聲沖擊 態(tài)接頭強度相對提高，但是仍不改變其下降的趨勢。對于恒幅疲勞試驗來說 1 0 7 1 0 9 循環(huán)周次范圍內不存在傳統(tǒng)疲勞概念上的水平平臺，載荷循環(huán)周次超過 l o7 后依然發(fā)生疲勞斷裂。 表2 - 6 統(tǒng)計結果顯示：與l x l 0 7 循環(huán)周次對應疲勞強度相比，q 2 3 5 焊態(tài)接頭 試件在1 1 0 9 循環(huán)周次條件的疲勞強度降幅為6 1 i ，而超聲沖擊態(tài)接頭1 1 0 9 循環(huán)周次的疲勞強度比1 1 07 循環(huán)周次對應疲勞強度下降了的3 2 1 ；q 3 4 5 焊態(tài) 接頭l x l 0 9 強度相比l x l o7 循環(huán)周次疲勞強度降低了6 0 4 ，而經超聲沖擊處理 的q 3 4 5 接頭其l x l 0 9 循環(huán)周次疲勞強度為l x l o 7 循環(huán)周次的疲勞強度的4 0 9 。 無論是q 2 3 5 還是q 3 4 5 ，經過超聲沖擊過的焊接接頭在1 1 0 9 循環(huán)周次條件下的 疲勞強度相對于在1 1 0 7 循環(huán)周次疲勞強度的降幅都比焊態(tài)的小。就是說超聲沖 擊能夠提高高周下的疲勞強度。由圖2 1 - 2 - 4 可見：接頭在高達l x l 0 8 的循環(huán)周 次下仍然會發(fā)生疲勞斷裂，即使循環(huán)周次超過l x l 0 9 之后，隨著應力水平的不斷 降低，s n 曲線仍有繼續(xù)延伸的趨勢。也就是說：如果在更低的交變應力水平作 用下，只要循環(huán)周次足夠長，其仍然有發(fā)生疲勞斷裂的可能性。因此我們有充分 理由相信，使用l x l 0 7 循環(huán)周次下條件的疲勞極限去設計服役在超長壽命區(qū)間的 焊接結構件，即便該結構只承受恒幅載荷的作用也是非常危險的。 對焊接接頭疲勞試驗數(shù)據進行統(tǒng)計處理，得到q 2 3 5 和q 3 4 5 接頭焊態(tài)與超 聲沖擊處理態(tài)十字接頭形式下存活率為9 5 、置信度為7 5 的標稱s n 曲線參 數(shù)，將其列于表2 7 中。 1 5 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 表2 - 7 焊接接頭疲勞試驗數(shù)據統(tǒng)計處理結果 由上表可以看出，無論焊態(tài)還是超聲沖擊態(tài)下的m 值都遠遠大于3 ，根據國 際焊接學會關于鋼結構的疲勞設計曲線2 2 1 規(guī)定：焊態(tài)m = 5 、超聲沖擊態(tài)m = 1 0 。 2 6 s - n 曲線的修正 鋼結構疲勞設計規(guī)范中的標準設計曲線是在含有高值焊接殘余拉伸應力厚 度為2 0 r a m 且含有e = 0 1 s t 錯邊變形的足尺寸試件( 或雖使用小尺寸試件，但試 驗是在應力比i b 0 5 條件下進行) 做出的，而本次超長壽命疲勞試驗條件為應 力比r = - i ，而且構件為基本不含錯邊變形的薄板小尺寸試樣，因此需要對本次 試驗的結果進行應力比、錯邊變形以及板厚的修正。 具體修正方法如下： 對于應力比的修正參考下列公式， f ( 尺) = - 0 4 r + 1 2 f ( r ) = l 因此本次試驗的修正系數(shù)為1 6 。 一1 r o 5 ( 2 - 5 ) r 0 5 錯邊變形修正也根據國際焊接學會鋼結構疲勞設計規(guī)范中相應規(guī)定進行：十 字焊接接頭所有疲勞壽命對應疲勞強度修正系數(shù)為1 4 5 。 不同板厚對于疲勞壽命的影響，國際焊接學會鋼結構疲勞設計規(guī)范中給出了 相應的修正公式，具體如下： r ，氣y f ( t ) = i 等i t 2 5 ( 2 6 ) , t e g ) 該公式對于板厚大于2 5 r a m 的焊接接頭，修正方法為用焊接接頭強度數(shù)值乘 以修正系數(shù)進行折算。而對于板材厚度低于2 5 r a m 的焊接接頭出于保守或偏安全 1 6 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 的考慮不予以折減。本次試驗中的數(shù)據是在薄板條件下得到的，與2 5 r a m 左右厚 度試件相比，應將得到的試驗數(shù)據除以該修正系數(shù)予以折減，而不是乘以該系數(shù)。 該公式中的厚度修正指數(shù)g 根據推薦標準對于十字焊接接頭取0 3 。如果按上述 方法對利用標準厚度( 2 0 一- , 2 5 m m ) 設計強度對薄板疲勞強度進行估算，一般可 能高估薄板真實具有的疲勞強度。有鑒于此，參考相應試驗結果，板厚修正時十 字焊接接頭1 3 取0 2 。綜合以上因素，得到圖2 - 6 和2 7 。 8 0 0 4 0 0 2 0 0 1 0 0 0 一 一 r = - i ，燁念s n l i r 線5 0 行活率 r = - i 。趣小沖擊念s n 曲線5 0 存活率 r = 1 超壽沖矗i 念s n t t t l 線5 訂活卑 r = - 1 ，赳ir ：；沖t i 態(tài)s n 1 1 q 線, 9 5 和添率 10 71 0 8l o 1 0 0 疲勞壽命c y c l e 圖2 - 6q 2 3 5 超盧疲勞s - n 曲線 1 7 bd至、i】叵罐乏 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 8 0 0 4 0 0 2 0 0 厶 芝 e q 10 0 雌 罐 h 5 0 1 0 一 r 一1 燼叁s - n i l ! 線5 0 打 再率 r v - 1 。趣f ；沖，i f 叁s n 曲線5 0 釘活率 - r ：_ 1 超，申 d i 卷孓n 曲線5 彳活串 r 芻1 超出沖擊態(tài)s n 曲線9 5 行活攀 j i 板1 7 lol 0 810 9 1 0 伯 疲勞壽i 命c y c l e 圖2 - 70 3 4 5 超聲疲勞s n 曲線 從以上兩個圖中可知，在循環(huán)周次l x l 0 7 以上的超長壽命區(qū)間，q 2 3 5 十字 接頭焊態(tài)疲勞試驗特征s n 曲線( 修正應力比、板厚和錯邊) 結果幾乎完全落在 了f a t 5 6 級設計曲線以下，而q 3 4 5 十字接頭焊態(tài)修正曲線也位于f a t 7 1 級設 計曲線以下。因此，對于遵循國際焊接學會規(guī)范設計的結構，在超長壽命區(qū)間使 用是偏于危險的。而對于經過超聲沖擊處理焊趾部位后強化的焊縫，其特征s - n 曲線在大部分超長壽命區(qū)間分別高于f a t 8 0 級和f a t l l 2 級設計曲線( l 1 0 8 次) ，再一次的驗證了超聲沖擊對于提高焊接接頭疲勞強度，延長焊接接頭疲勞 壽命，尤其是延長接頭超長循環(huán)周次疲勞壽命的顯著作用。 有鑒于上述情況對于傳統(tǒng)規(guī)范應該進行一些必要的修正，以適應工作在超低 載荷超長壽命條件下的結構疲勞設計，對于超聲沖擊處理強化后的結構也遵循該 第二章超長壽命區(qū)間的疲勞行為 修正方法。其內容如下： 1 ) 對于焊態(tài)接頭恒振幅疲勞設計曲線，不再規(guī)定其疲勞極限，疲勞壽命超 過l x l 0 7 之后仍然繼續(xù)下降，疲勞設計曲線在l x l 07 之后轉折斜率定為m 尋5 ； 2 ) 利用修訂的恒幅疲勞設計曲線，重新分析超長壽命區(qū)間相應焊接接頭恒幅 設計s - n 曲線的對應強度級別 由圖2 5 、圖2 - 6 所示，根據該修正方法，q 2 3 5 十字接頭焊態(tài)特征s n 曲線 在l x l 0 7 之后完全位于新的f a t 5 6 級設計曲線之上，而q 3 4 5 十字接頭焊態(tài)特征 s n 曲線則位于新修訂的f a t 7 1 級曲線之上。對于超聲沖擊處理態(tài)焊接接頭恒 振幅疲勞設計曲線，規(guī)定其斜率為m - - 1 0 較為合適t 2 3 1 ，按原有疲勞設計曲線的設 計等級取m = 1 0 為新設計曲線斜率對應值，曲線在整個疲勞壽命區(qū)間不發(fā)生轉折。 經過修正可以看到q 2 3 5 十字接頭超聲沖擊態(tài)十字接頭特征s n 曲線完全位于新 的f a t 8 0 級曲線之上，而q 3 4 5 超聲沖擊態(tài)十字接頭特征s - n 曲線則完全位于 f a t l l 2 級曲線之上。因而根據不同的接頭處理狀態(tài)，使用不同的疲勞設計曲線 進行設計，得到的鋼鐵材料焊接接頭超長壽命的疲勞性能是比較可靠的。 2 7 本章小結 本章詳細介紹了超聲沖擊方法的應用背景，按照疲勞試驗數(shù)據處理，得到了 q 2 3 5 和q 3 4 5 在焊態(tài)和