高超载比超载对Q345钢的疲劳性能的影响*

孟祥峰，张运来，余啟航

(长安大学，陕西 西安 710064)

0 引 言

疲劳是材料在循环荷载作用下的损伤累积过程，极易导致结构的脆性断裂，降低结构的安全性和使用寿命[1]。疲劳断裂是当今工程结构的主要失效形式之一[2]。金属结构的疲劳失效分为疲劳裂纹的萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段，其中，稳定扩展阶段作为金属结构疲劳寿命的主要控制阶段，成为各国学者关注的重点[3]。随着我国基础建设投资增加，桥梁的建设重视程度也在增加。具有结构轻盈、承载力高、施工便利等优势的钢结构桥梁更是大跨度桥梁的首选形式[4]。在实际运营中，桥梁会受到车流和风力的作用，处于交变的载荷下工作，即桥梁服役时会受到疲劳载荷作用。随着时间的推移，桥梁结构的薄弱环节容易产生疲劳破坏，危害人身安全，造成经济损失。在实际工况中桥梁会不可避免的发生超载效应，即在横幅交变载荷作用时，突然增加的载荷会降低其后来的疲劳裂纹扩展速率。因此有必要研究拉伸超载对Q345钢疲劳寿命的影响，来准确预估桥梁的剩余疲劳寿命，并且也可以通过人工超载提高桥梁的疲劳寿命。

一般认为，影响材料疲劳寿命超载效应的主要因素是超载引起的残余压应力。文献[5]采用弹塑性有限元方法，对恒幅及不同超载比的单次超载作用下的裂纹扩展进行有限元模拟，证明从残余应力角度分析裂纹扩展是可行的，为建立基于残余应力的裂纹扩展模型提供分析基础。文献[6]对预应力钢丝的制造过程进行了有限元数值模拟，分析不同循环加载条件对冷拔珠光体钢丝残余应力场的影响。

目前研究大多集中在低超载比超载，因此，笔者通过在萌生裂纹后进行高超载比超载，通过疲劳裂纹扩展试验，研究高过载比超载对Q345钢的疲劳性能的影响，并分析其延寿机理。

1 试样及试验方法

试验材料选用厚度为10 mm的Q345钢，其化学成分如表1所列，将材料制成标准紧凑拉伸(CT)试样进行疲劳裂纹扩展试验，试样如图1所示。

图1 CT试样形状及尺寸

表1 Q345化学成分表 /%

试验机器型号为INSTRON 8801型电液伺服疲劳试验机，试样的裂纹扩展方向与轧制方向垂直，采用载荷控制方式，其中母材试样施加幅值为12 kN，应力比为0.025，频率为10 Hz的正弦波形载荷；超载的试样施加相同载荷使疲劳裂纹扩展至20 mm处，然后保持施加30 kN静载荷1 h，最后继续使用与母材相同的载荷使疲劳裂纹扩展结束。试验结束后，对a-N曲线和da/dN-ΔK对数曲线进行拟合。

2 实验结果与分析

母材(PM)以及超载(OL)试样的裂纹长度、疲劳寿命(a-N)曲线如图2所示。从图中可知，超载试样超载前的a-N曲线与母材重合，寿命基本一致。当施加载荷128 275周次，即裂纹扩展至20 mm时进行载荷为30 kN的超载，超载会引起裂尖钝化并会产生具有较大残余应力的塑性区，因此超载试样疲劳裂纹扩展速率下降，获得较多的疲劳寿命。母材的疲劳寿命为208 245周次，当超载试样疲劳寿命达到母材的315.5%，即超载试样超载后的528 787周次时疲劳裂纹从超载位置扩展了0.76 mm，所以高超载比超载可以有效的提高疲劳寿命。

图2 母材及超载试样的a-N曲线

母材以及超载试样的应力强度因子、裂纹扩展速率da/dN-ΔK对数曲线如图3所示。拉伸超载有四个显著现象：裂纹扩展速度在超载后立即开始短加速；裂纹扩展速率急剧下降到最小点；裂纹扩展最小点后逐渐增加；裂纹扩展速率恢复到预超载斜率。从图中可以看出超载试样超载前速率与母材一致，超载后疲劳裂纹扩展速率急剧下降，处于常规超载的第二个阶段。当超载试样疲劳寿命达到母材的3倍时，曲线并没有出现速率逐渐增加恢复至与母材相同的趋势。也可以说明高超载比超载对裂纹扩展的抑制作用。

图3 母材及超载试样的da/dN-ΔK曲线

3 结 论

采用对CT试样保持拉伸超载的方法，通过疲劳裂纹扩展试验，研究超载比为2.5时超载对Q345钢疲劳裂纹扩展速率的影响，分析其改善疲劳性能的机理。主要得出如下结论。

(1) 在疲劳实验过程中，对试样进行超载比为2.5的超载，可以有效降低疲劳裂纹扩展速率，抑制裂纹扩展，延长试样的疲劳寿命。

(2) 较高的超载比超载使试样引入了残余压应力，使得有效应力强度因子降低至应力强度因子门槛值附近，从而降低疲劳裂纹扩展速率。

(3) 将较高超载比的超载应用于钢结构桥梁等结构，能够有效延长结构的使用寿命。