哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）
（1）温度对疲劳裂纹门槛值的影响
疲劳门槛值的降载试验得到：T = 6500C，?Kth= 7. 68MPam；当T = 7000C时，?Kth = 9.18 MPam。说明高温疲劳裂纹在7000C比6500C时的门槛值高，这是因为试验所用材料的屈服强度在7000C比6500C时低，而门槛值?Kth与强度成反比，随着循环强度的提高，无论是原来的单独拉伸强度大还是在循环硬化过程中引起强度升高，门槛值都要下降。 （2）温度对疲劳裂纹扩展速率的影响
两种温度下(6500C和7000C)裂纹扩展速率对比（如图3.3)所示。由图可以看出在同一?K下，温度高的裂纹扩展速率比温度低的扩展速率高，对于高裂纹而言，
da/dN与?K之间仍然服从Paris公式：da/dN?C(?K)n，而C值随温度变化，
温度越高，C值越大，因此温度越高，疲劳裂纹的扩展速率越大。
3.2残余压应力场下疲劳裂纹扩展
焊接结构的破坏大多数出现在焊接区域。其原因，一是接头处多有缺陷易萌生裂纹，二是焊后存在焊接残余应力，对于焊接件来说，疲劳裂纹在不同的应力场下其扩展特性是不相同的[24]。如何利用残余应力场的特性来控制疲劳寿命，对工程应用具有重要的实际意义。
3.2.1试验
（1）材料与试样
试验所用材料为16 Mn钢热轧板，厚度14 mm，化学成分(wt%)为：0.21C，0.25Si，0.025S，0.016S。机械性能?b为568 MPa，?s为358 MPa，?为28.4%采用双面自动埋弧焊，开600坡口(双面)，溶剂垫上焊，焊丝为H08A，直径4mm，熔剂为HJ431，焊接电流450~500 A，电压34~36 V，车速20m/s。焊后空冷，后用刨床刨去焊道的凸出部位，经磨削加工成标准紧凑拉伸试样(CT试样)。其宽度为70mm，厚度为13mm。 （2）残余应力的测试
首先采用x射线法测量垂直于裂纹扩展方向的焊接横向残余应力。测试是在日本理学2092型x射线分析仪上进行，分别对热影响区试样(HM)，焊缝试样(WM)进行残余应力测试。
为了观察裂纹尖端残余应力的变化情况，采用应力切割释放法来测量[25]。该法的主要原理是在试样的韧带上距缺口较远处贴两片应变片(可两面对称贴片共贴四片)。在缺口处沿着韧带每次切割2~3 mm，可以测出应变片的应变变化量，再经
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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 理论计算可以得到未切割区域残余应力的分布。 （3）疲劳裂纹扩展试验
试验是在PLI-l0A高频试验机上室温常幅加载下进行。采用三种应力比，即R=0.2，0. 4，0. 6，对16Mn钢母材、热影响区、焊缝三种形式的试样进行疲劳裂纹扩展试验。观察裂纹采用表面直读法，使用30倍JXD2型可读数显微镜。为了保证试验的准确性，采用不停机测量。
应力强度因子采用GB 6398-86推荐的数学表达式，即
?K??P(2??)32BW(1??)(0.866?4.642??13.32?2?14.72?3?5.6?) （3-5）
4其中，??a/W，a为裂纹长度；W为试样宽度；?P为载荷幅值；B为试样厚度。
采用七点递增法对试验所得的a?N数据逐点递增拟合，求其导数得到对应的
da/dN值，按Paris公式回归c，n值，数据处理过程均用微机来完成。
3.2.2结果分析与讨论
x射线法测试残余应力的结果（如图3.4），应力切割释放法测试残余应力的变化情况（如图3.5）。
图3.4 CT试样中焊接残余应力分布 图3.5切割法测得的残余应力分布及变化情况 ○—热区，●—焊缝 ——实测残余应力……由对称性得出的部分 K切割次数
测试结果表明，CT试样中的横向残余应力分布符合两边为压，中间为拉的特点。从切割释放法的测试结果可以看出，随着裂纹长度的增加，残余应力不断地释放，从而发生重新分布，但分布规律不变，且裂尖端始终处于残余压应力状态(如图3.5)。
在交变载荷作用下，疲劳裂纹尖端会产生塑性区，因而其残余应力会不断地松弛和释放，所以实际上裂纹尖端所受残余应力的作用值要比图3.5所示的要小些。
三种应力比下的疲劳裂纹扩展速率曲线（如图3.6）所示，由回归计算出的c，
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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） n值如表3-3所示。
表3-3 c，n值回归结果
应力比0.2 试件 c 母材 热区 焊缝 5.91?102.52?104.43?10?9应力比0.4 n c 6.52?102.52?101.41?10?9应力比0.6 n c 6.53?105.41?101.86?10?9n 3.12 3.16 3.46 3.08 5.81 7.87 3.09 5.44 8.05 ?13?12?9?17?16?9
从图3.6可以看出，在三种应力比下，母材的da/dN随着应力比的增大略有增大，热影响区和焊缝的da/dN则随着应力比的增大而明显加快，尤其在焊缝区表现得更加明显。这说明应力比对母材的da/dN影响不大，甚至可以忽略其影响，而应力比对热影响区和焊缝的da/dN影响较为明显。
图3.6 三种应力比下的da/dN??K曲线 （a）母材（BM）（b）热区（HM）（c）焊缝（WM）
Θ—R=0.2，●—R=0.4，○—R=0.6
为了观察残余应力对da/dN的影响，将相同应力比下的母材，热影响区，焊缝三者的扩展速率统一在图3.7中。
从图3.7可以看出，在R=0.2（如图3.7（a）），母材、热影响区、焊缝三者的da/dN依次降低。热影响区和焊缝的残余应力由图3-4的测试结果可以看出，焊缝横向残余应力分布的极限比热影响区的约大一倍左右。这说明随着残余应力的增大，
da/dN下降，而当应力比增大时（如图3.7（b）），母材、热影响区、焊缝区三者
的da/dN曲线逐渐靠拢。当应力比R=0. 6时（如图3.7（c）），三条曲线基本重合
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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 在一起。说明此时焊缝接残余应力的影响已不复存在。
图3.7同种应力比下母材、热区、焊缝da/dN??K曲线 （a）母材（BM）（b）热区（HM）（c）焊缝（WM）
Θ—R=0.2，●—R=0.4，○—R=0.6
上述分析说明，疲劳裂纹在焊接区域扩展时，其尖端的残余应力既释放又松弛。应力释放基本按某一固定形式释放(如图3.5)，其结果使残余应力发生重新分布。而应力松弛则随应力比的不同，其松弛所占的比例也不同。在应力比较低的情况下，相应的平均应力较小，裂纹尖端的塑性区也有相应较小，应力松弛反应较小，这时应力释放基本大部分反映裂纹尖端残余应力作用的变化，所以在应力比小的情况下，残余应力对da/dN有明显影响。随着应力比的提高相应平均应力加大，裂纹尖端的塑性区相应增大，应力松弛较明显，与应力释放一起作用，将其裂纹尖端的残余应力作用完全消除掉，在这样情况下，疲劳裂纹扩展相当于在无残余应力作用下扩展。
3.3 残余应力下疲劳裂纹扩展
3.3.1残余应力的产生
钢材产生残余应力[26]的原因很多，诸如金相组织的不均匀，各部的组织及成分不同，晶粒的向位不同，各部的弹性模量E有差异，受载时各部材料屈服时间前后不同等等。 （1）受载情形
材料受载后，局部的应力达到屈服极限，于是出现局部塑性区域，塑性区的应力不再继续增大，而应力尚低于屈服极限的区域仍具弹性。卸载后塑性区的材料不再恢复，仅弹性区的材料恢复。若是试样原来受的是拉伸载荷，则弹性区的
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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 材料于恢复时要收缩，但受到不能再恢复的塑性区材料的制约，不得自由收缩，因而弹性区的材料产生残余拉应力，与此对应，塑性区的材料产生残余压应力。若试件原来受压缩载荷，则结果相反。 （2）冷作强化处理
试件表层材料经喷丸或滚压等冷作强化处理，由于弹丸的冲击或滚子的滚辗，使表层材料出现局部屈服。弹坑周围或被滚辗的表面产生塑性变形，但芯部材料仍具弹性，对表层材料的变形形成制约。于是，在冷作强化的表层材料内产生了残余压应力，芯部则产生残余拉应力。 （3）淬火处理
试件在整体淬火过程中，一方面由于材料热胀冷缩，内部产生热应力；另一方面，因组织有相变，要产生组织应力。热应力与组织应力都是残余应力。被热处理的试件，在冷却后期，当芯部材料冷却收缩时，受到已冷却的表层牵制，最终是在表层材料产生残余压应力，芯部产生残余拉应力。
试件在经过表层淬火处理后，最终表层材料受残余压应力，芯部呈残余拉应力。
（4）渗碳处理
试件表层材料经渗碳处理后，表层材料渗碳层呈残余压应力，且比仅淬火的表层材料高。
总括地说，在受载、各种表面强化处理过程中，以及机械加工时，若是使试件材料局部地达到屈服状态，则在受载、处理措施或机械加工之后，该局部材料就会呈现残余应力。若是局部塑性拉伸、感应淬火、渗碳、喷丸、滚压及镀锡(镉或铅)等低溶点金属时，零件表层材料产生残余压应力；若是局部塑性压缩、高速切削、冷拉、局部加热、表层脱碳、镀铬或镍等高溶点金属时，则试件表层材料呈残余拉应力。
3.3.2残余应力下的疲劳行为
残余应力对试件的实有应力分布有很大影响。许多人在这方面都做过研究，其中达成共识的是残余压应力使疲劳裂纹的萌生和扩展减缓，从而提高了试件的疲劳寿命。
图3.8所示为没有残余应力的试件受弯矩M作用的情况。图中点划线为材料的疲劳极限?rlim曲线，细实线为由弯矩M所产生的弯曲应力分布曲线。当弯矩增大时，是表层材料内的弯曲应力?bp??bmax首先达到或超过疲劳极限值，因此表层没有残余压应力的试件是由表层材料最先出现疲劳损伤。
若是表层经强化处理(如渗碳等)，则如图3.9所示，在渗碳表层内产生了残余
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