结构钢焊接接头的超高周疲劳行为研究进展

发布时间：2019-11-15 10:05

【摘要】：在传统的认知中,材料在某一应力作用下达到107周次仍然不会断裂,则称材料有无限寿命。但在最新的研究中,在应力循环周次大于107周次时,焊接接头仍会发生断裂,不存在传统意义上的疲劳极限。综述了近年来对于结构钢焊接接头的超高周疲劳性能的研究成果,包括S-N曲线的特征,断口特征与裂纹的萌生机理,超声冲击处理对焊接接头超高周疲劳性能的影响,最后给出了需要进一步的研究方向。
【图文】：

宏观形貌,十字接头,板状,圆柱状

HotWorkingTechnology2017,Vol.46,No.21(a)(b)(c)图3圆柱状接头和板状十字接头的断口宏观形貌[18]Fig.3Fracturemorphologiesofcylindricalbuttjointandplatecruciformjoint[18]近年来结构钢焊接接头超高周疲劳的研究成果进行了总结。1结构钢焊接接头的超高周疲劳行为特征1.1S-N曲线S-N曲线表示材料的疲劳性能，反映了材料疲劳断裂的情况。根据文献[13-17]研究结构钢焊接接头的超高周疲劳性能时发现母材和焊接接头不存在无限寿命，S-N曲线是连续下降的，在107周次没有出现水平平台；当母材和焊接接头服役超过107周次后，试样还是会发生断裂，如图1所示。从图1中还可以发现焊接接头的疲劳性能远低于母材。在5×106循环周次时，焊接接头的疲劳强度只是母材的47.4%。刘永杰[18]等人研究发现圆形对接焊接接头的S-N曲线是连续下降的，在107周次没有出现水平平台，当母材和焊接接头服役超过107周次以后，试样会发生断裂；板状十字焊接接头的S-N曲线有两个阶段，第一阶段是小于107周次，曲线呈现快速下降的状态；第二阶段是大于107周次，曲线下降缓慢，几乎呈现水平平台，可以近似认为板状十字焊接接头存在无线寿命，即疲劳极限。1.2超高周疲劳失效的断口特征及裂纹的萌生断口是零件发生断裂形成相互匹配的表面[19]。断口包含裂纹的萌生、扩展和完全断裂过程的形貌。一般情况下，可以通过分析断口来获得零件断裂的性质、路径、过程等。疲劳断裂的过程可以简单地描述为：在循环载荷的作用下，主要受力区首先发生塑性变形，随着应力的增大，，有微小的裂纹萌生于薄弱区，裂纹进而逐渐扩展，形成清晰可见的宏观裂纹直至断裂[20]。疲劳断口可以分成裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区[2

S-N曲线,S-N曲线,焊接接头

材有更多的孔隙和缺陷，这是由于在焊接过程中受到高温的影响造成的。用SEM（扫描电镜）观察未进行疲劳试验的焊接接头焊缝，在焊缝内部存在单个或成堆的气孔，观察焊缝的高倍组织可以发现沿着垂直于散热面方向反向生长的晶粒，大部分是柱状晶，晶粒粗大，而且晶粒之间有间隙。试样在承受载荷时，气孔会使其有效截面面积减少，截面应力会增大，使得焊接接头的疲劳强度下降。晶粒间的间隙有可能造成应力集中，成为疲劳裂纹源。通过SEM对断裂试样的断口进行观察分析，焊接接头试样在低周疲劳区大多在焊接接头结合处发图1Q345qC钢及其焊接接头的S-N曲线[13]Fig.1S-NcurvesofQ345qCsteelanditsweldedjoint[13]450400350300250200150105106107108109失效循环数N应力σ/MPa焊接接头试验数据母材S-N曲线(50%存活率)焊接接头S-N曲线(50%存活率)母材试验数据300250200150100500图2圆柱状对接接头和板状十字接头S-N曲线[18]Fig.2S-Ncurvesofcylindricalbuttjointandplatecruciformjoint[18]105106107108109失效循环数N应力范围/MPa圆形接头十字接头6

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