高强度桥梁钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究

nemosan

疲劳通常是指材料在受到变动载荷作用下的行为。由于桥梁钢应用于公路和铁路桥梁，要长期在变动载荷状态下工作，一旦形成裂纹源，裂纹易在变动载荷下扩展直至断裂，因此研究桥梁钢疲劳裂纹扩展速率是十分必要的。焊接是桥梁钢应用于桥梁的主要连接手段，因此对于高强度桥梁钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究具有实际意义。本文利用高频疲劳试验机对高强度桥梁钢的母材、焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了测定，确定焊接接头不同部位的Paris公式和疲劳裂纹门槛值。

实验钢为高强度桥梁钢，板厚20mm，其主要化学成分(质量分数，%)为：0.12C、0.40Si、1.50Mn、0.0097P、0.0085S、0.042Nb、0.184Mo、0.012Ti、4×10-5N、余量Fe；力学性能Rel=480MPa、Rm=655MPa、Rel/Rm=0.73、δ=21.64%，组织组成为贝氏体、铁素体和少量珠光体。

焊接试验将桥梁钢板材加工成V型坡口，进行CO2气体保护自动对接焊。焊接层间温度为150～250℃，单面分三层焊接，单面坡口角度为22.5°，焊接电流270～350A，电压36～39V，焊速9～11mm/s。焊接材料采用H08Mn2Si焊丝。

疲劳裂纹扩展试验试验设备为PLG-100高频试验机。根据GB/T6398-2000的规定，选取标准SE(B)试样，跨距S取4W。缺口分别开在焊缝、HAZ及母材处，试验前将试样表面磨光，然后从切口顶端开始画出间距为1mm的刻度线，以便确定预制的疲劳裂纹长度和记录裂纹扩展性能。在试验过程中逐一记录裂纹长度ai及相应的载荷循环次数Ni，其中裂纹长度ai采用10倍放大镜监测，载荷循环次数Ni由试验机自动显示。当裂纹扩展到（0.6～0.7）W时停止试验。综合考虑试件疲劳裂纹开裂速度、一根疲劳试件试验的时间、试件应力状态及试验机工作状态等因素，确定本次疲劳裂纹扩展试验的加载：静载荷Pm=6.2kN，动载荷=5.8kN，加载频率为80～85Hz。将裂纹长度a与循环数N的记录值随时标在坐标纸上。

经过分析测定，高强度桥梁钢焊缝的Paris公式为da/dN=2.5858E-09（△K）2.86276，疲劳裂纹门槛值为6.6822MPa·m1/2。热影响区的Paris公式为da/dN=9.2487E-09（△K）2.77892，疲劳裂纹门槛值为5.2817MPa·m1/2。母材的Paris公式为da/dN=4.2036E-08（△K）2.15102；疲劳裂纹门槛值为4.8809MPa·m1/2。高强度桥梁钢焊接接头中焊缝抗裂纹扩展能力最高，其次为热影响区，最后为母材。焊缝的疲劳断裂模式为穿晶断裂为主，母材的断裂模式以沿Z字形路径扩展的沿晶断裂为主，热影响区的断裂模式介于两者之间。