HG785D高強鋼疲勞裂紋擴展試驗與數值模擬研究*

張 旺,萬一品,朱曉君,王莉寧

(長安大學 工程機械學院,陜西 西安 710064)

0 引 言

HG785D是一種性能優良的高強度的焊接專用結構鋼,其廣泛應用于壓力容器、起重設備、交通運輸機械等裝備中[1-2]。

行業內眾多學者對該結構鋼進行了深入研究。鄭鵬等[3]分析了HG785D鋼對接焊的焊接工藝,確定了不同厚度下接頭力學性能最優時對應的熱輸入與預熱溫度范圍。陳建武等[4]分析了不同板厚下對接接頭沖擊和彎曲力學性能,確定了HG785D鋼焊接的強度匹配焊絲材料。張強等[5]分析了HG785D鋼焊接熱影響區的性能,得到了熱影響區沖擊性能低而硬度高的結論。史云龍等[6]利用XFEM方法研究不同因素對模具鋼裂紋尖端應力強度因子的影響,得到XFEM方法能夠有效模擬裂紋開裂及擴展過程的結論。

而相關公開研究中并未發現采用試驗與數值模擬相結合的文獻。筆者通過三點彎曲試驗和擴展有限元數值模擬的方法,對HG785D鋼的裂紋擴展規律進行研究,以描述SENB3試樣疲勞裂紋擴展過程,以期為高強鋼疲勞壽命評估提供方法和數據參考。

1 試樣材料與方法

選用武鋼HG785D調質高強度焊接結構鋼為研究對象,其厚度20 mm,主要化學成分如表1所列。

表1 HG785D的化學成分 /%

對HG785D鋼進行顯微組織觀察,其主要成分為珠光體和均勻分布的塊狀鐵素體,如圖1所示。按照GB/T 6398-2017制作三點彎曲試件尺寸,如圖2所示。

圖1 HG785D高強鋼的顯微組織

圖2 試樣尺寸

采用降K法方式來預制裂紋,預制裂紋結束后進入正常擴展階段。試驗機型號為SDS500,加載形式為正弦波,其它條件如表2所列。

表2 試驗條件

采用表2所列的試驗條件采集裂紋的擴展長度及其加載循環數,裂紋增量為0.5 mm。

2 試驗結果與分析

記錄循環次數相關數據,裂紋擴展長度與循環次數試驗數據如表3所列,a-N曲線如圖3所示。

圖3 裂紋擴展a-N曲線

表3 裂紋擴展長度a與循環次數N關系表

由圖3可知,HG785D試樣的a-N曲線相對較平滑,規律性較好。裂紋萌生階段載荷循環次數約為3.65×104次,斷裂時試樣疲勞壽命約為7.61×104次。

雙對數坐標系下的試樣疲勞擴展速率曲線,如圖4所示。

圖4 雙對數坐標下da/dN-ΔK關系曲線

由圖4可知,疲勞裂紋擴展分為三個區域,其中穩定擴展區常采用Paris公式描述裂紋擴展規律[7]:

da/dN=C(ΔK)m

(1)

對Paris公式兩端同時取對數,得出da/dN與ΔK的線性關系式為:

lg(da/dN)=lgC+mlg(ΔK)

(2)

雙對數坐標下,線性擬合穩定擴展區的疲勞裂紋擴展速率與裂紋尖端應力強度因子關系如圖5所示。

圖5 穩定擴展區裂紋擴展速率和應力強度因子關系

由圖5可得,da/dN-ΔK曲線位于穩定擴展區,其擬合的相關參數如表4所列。

表4 穩定擴展區da/dN-ΔK曲線參數

由表4得出,HG785D鋼三點彎曲試樣在穩定擴展區的疲勞裂紋擴展方程為:

lg(da/dN)=-7.63+2.922 lg(ΔK)

(3)

將式(3)轉化為Paris公式得到:

da/dN=2.34×10-8(ΔK)2.9220

(4)

應力比為0.2時,在穩定擴展階段,試驗得到HG785D鋼da-dN與ΔK的定量數學關系表達式。

3 裂紋擴展數值模擬與試驗對比分析

建立HG785D鋼裂紋擴展有限元模型,設置材料參數,如表5所列。

表5 數值模擬材料參數

采用最大主應力斷裂準則及BK損傷演化模型,粘聚裂紋粘性系數為1×10-5,對裂紋尖端附件進行網格細化,精細度向外逐漸遞減。結果如圖6所示。

圖6 有限元模型網格劃分

設置裂紋位置及擴展區域,對兩個支撐施加邊界條件為完全固定。載荷以集中力的方式施加在試樣上方的壓頭上,載荷的最大值與最小值與試驗中所設計的相同。疲勞裂紋擴展數值模擬前處理和求解模塊設置完畢,在后處理輸出不同時刻試件表面斷裂過程的Mises等效應力云圖,如圖7所示。

圖7 不同裂紋長度下裂紋尖端Mises等效應力云圖

數值模擬所得a-ΔK的關系與試驗所得a-ΔK的關系對比分析,如圖8所示。

圖8 相同裂紋長度下試驗與仿真的a-ΔK曲線

由圖8可知,試驗曲線與仿真曲線具有相同的變化趨勢。計算試驗分析與仿真分析之間的誤差,結果如表6所列。

表6 試驗與仿真曲線誤差分析

由表6誤差分析得出,隨著裂紋長度的增大,裂紋尖端應力強度因子之間誤差也在逐漸增大。裂紋尖端產生較大塑性變形是由于試件所承載的凈截面面積不斷減小,導致應力強度因子數值模擬值與試驗值之間的誤差也隨著裂紋長度的增大而增大,在穩定擴展區的后期和快速擴展區較為明顯。通過試驗與仿真結果的誤差分析得出,最大誤差小于10%,這表明數值模擬可以較為準確地分析HG785D高強鋼三點彎曲試樣疲勞裂紋擴展。

4 結 論

由上述分析得出以下結論。

(1)通過對三點彎曲試樣進行疲勞裂紋擴展試驗可知,在應力比為0.2時,疲勞斷裂破壞的壽命為7.61×104。

(2) 通過疲勞裂紋擴展試驗所得數據,擬合得到試樣的a-N曲線以及da/dN-ΔK曲線,在穩定擴展區階段,Paris公式為da/dN=2.34×10-8(ΔK)2.9220。

(3) 對a-ΔK曲線進行分析發現,兩者之間的變化規律一致,數值模擬與試驗結果最大誤差為6.1%。采用數值模擬或三點彎曲試驗均能得到HG785D鋼的疲勞裂紋擴展性能。