Q500D厚钢板及其焊接接头疲劳裂纹扩展速率试验对比研究

贾朋刚，霍 岩，侯世璞，赵 鹏

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

“碳达峰、碳中和”对能源工业提出了新的要求，抽水蓄能等水电站建设成为我国重点和规模发展的能源领域。高水头的抽蓄机组座环、蜗壳等部件采用Q500D大厚度钢板，其抗撕裂性能及焊接技术已基本被攻克[1]。在进行座环、蜗壳等部件的断裂力学分析时，需考虑裂纹是否会发生断裂，是否会发生扩展及裂纹发生扩展后的速率大小，涉及到几个关键计算参数，包括Q500D厚钢板及其焊接接头的裂纹扩展速率da/dN和裂纹门槛值ΔKth，现阶段这些关键参数值在国内外文献中未见报道，工程中只能采用其它材料的参数完成计算，因此目前还无法对抽水蓄能机组座环、蜗壳等部件进行精确的寿命计算[2]。为抽蓄机组深入挖掘Q500D厚钢板材料潜能，提高机组的寿命计算能力，本文对比分析了Q500D厚钢板及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率，并测试研究了Q500D厚钢板焊缝的裂纹扩展门槛值。

1 试验概况

1．1 试样

如图1所示，本测试采用标准的C(T)试样，B=12.5 mm，W=50 mm，根据GB/T 6398对于C(T)试样厚度应符合式(1)，本测试试样满足此要求。

图1 疲劳裂纹扩展及门槛值试样图

(1)

1．2 试验材料

试验材料为210 mm厚Q500D钢板，其供货态热处理为调质。焊接材料为HS-60NiMo，规格φ1.2 mm，焊接材料的化学成分典型值见表1，力学性能典型值见表2。焊接方法为熔化极气体保护焊，采用平焊位置焊接，保护气体为80%Ar+20%CO2富氩混合气体，预热温度不低于100 ℃，层间温度不高于260 ℃，最大焊道摆宽<16 mm，焊接工艺参数见表3。对焊接接头进行退火处理，退火工艺为随炉升温至(590±10)℃保温10 h，之后随炉冷却至150 ℃以下空冷。

表1 HS-60NiMo焊丝化学成分 单位：%

表2 HS-60NiMo焊丝熔敷金属力学性能

表3 Q500D厚钢板熔化极气体保护焊工艺参数

1．3 试验参数

采用美国MTS 810材料试验系统，有标准的循环计数装置，静态检验力值精确度不超过1%，测试过程中，静态检验力值最大允许误差为±1%，示值变动度不超过1%，符合GB/T 16825的要求。动态检验力值最大允许误差为±1%，符合JJG 556的要求。采用MTS 632.03 COD位移规测量试样张口位移，并用柔度法转换为裂纹长度，符合GB/T 6398的要求。裂纹扩展试验前，按照标准要求预制疲劳裂纹，试验条件为：f=10 Hz，载荷比R=0.1。

疲劳裂纹的扩展速率da/dN可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。第Ⅰ阶段存在一个门槛值ΔKth，是判断裂纹是否会扩展的非常重要的一个材料参数。第Ⅱ阶段为裂纹稳定扩展阶段，扩展速率da/dN与应力强度因子符合Paris公式[3]。本文对比研究Q500D厚钢板及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率，测试参数如表4和表5所示，表中W为试样宽度，B为试样厚度，f为试验频率，F为试验力值，R为试验应力比，C为规则化K梯度。

表4 Q500D厚钢板及其焊接接头裂纹扩展速率测试参数

续表4 Q500D厚钢板及其焊接接头裂纹扩展速率测试参数

表5 Q500D厚钢板焊接接头裂纹扩展门槛值测试参数

2 试验结果与分析

2．1 疲劳裂纹扩展的门槛值

表6是Q500D厚钢板焊接接头退火后的裂纹扩展门槛值数据处理结果，表中n和C0为拟合值，ΔKth为门槛值，是对应的da/dN很低(<10-7mm/cycle)或者da/dN接近0时(裂纹不扩展)ΔK趋近的值。选取至少5个平均分布在10-6～10-7mm/cycle之中的裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子ΔK双对数数据对，以da/dN的对数为自变量，以ΔK的对数为因变量，并采用线性回归的方法对数据点进行拟合，再由拟合结果计算da/dN为10-7mm/cycle的ΔK值，该值即为门槛值ΔKth，退火后Q500D钢板焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值测试的da/dN-ΔK曲线在双对数坐标下绘制(如图2)。Q500D厚钢板焊接接头退火后的疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth为5.46 MPa·m1/2，因此对于抽水蓄能机组的座环、蜗壳等大型焊接部件的结构设计，只要Q500D焊缝中裂纹的应力强度因子ΔK小于5.46 MPa·m1/2，裂纹就不会萌生。

表6 Q500D厚钢板焊接接头裂纹扩展门槛值测试数据处理结果

图2 Q500D厚钢板焊接接头裂纹扩展门槛值da/dN-ΔK曲线

2．2 裂纹扩展速率

裂纹扩展速率由试验载荷下，记录的若干个循环数和其对应的裂纹长度数据对决定。采用GB/T 6398中递增多项式法，在a-N曲线上每隔一定的ΔN选取若干点，得出da/dN和对应的ΔK，在双对数坐标下进行线性拟合得出da/dN-ΔK曲线，以及Paris公式中的两个材料常数C和n，按da/dN服从对数正态分布，得出95%置信区间da/dN上下限方程。表7是Q500D厚钢板及其焊接接头的裂纹扩展速率测试数据处理结果，表中n和C0为拟合值，C1为95%置信区间上限值，C2为95%置信区间下限值。表8为相同ΔK的Q500D厚钢板及其焊接接头的裂纹扩展速率拟合公式。

表7 Q500D厚钢板及其焊接接头裂纹扩展速率测试数据处理结果

表8 Q500D厚钢板及其焊接接头裂纹扩展速率拟合公式

在同一ΔK值下，材料的裂纹扩展速率da/dN越大，说明该材料的裂纹扩展越快，抵抗裂纹扩展的能力越弱；反之裂纹扩展速率da/dN越小，说明材料抵抗裂纹扩展的能力越强。因此比较裂纹扩展速率的大小有助于研究材料抵抗裂纹扩展能力的强弱[2]。Q500D厚钢板及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率拟合的da/dN-ΔK曲线(如图3)。从图中可以看出，Q500D各个状态的裂纹扩展速率大体很接近，但略有差异。焊缝抵抗裂纹扩展的性能强于母材和热影响区，但与供货态的裂纹扩展速率很接近，当ΔK<45 MPa·m1/2时，焊缝的裂纹扩展速率最小，母材裂纹扩展最大；当ΔK>45 MPa·m1/2时，供货态的裂纹扩展速率最小而且与焊缝的裂纹扩展速率很接近，热影响区的裂纹扩展速率最大且和母材很接近。

图3 Q500D厚钢板及其焊接接头疲劳裂纹扩展速率da/dN-ΔK拟合曲线

3 结论

本文对Q500D厚钢板及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了对比研究，并测试了焊接接头的裂纹扩展门槛值。现阶段由于公开资料中查不到Q500D的扩展速率及门槛值参数，因此在进行Q500D部件及焊缝缺陷断裂力学分析时只能参考其他材料的参数，导致分析结果的准确性有待商榷。本文解决了工程中进行Q500D焊缝缺陷断裂力学分析时长期存在的只能参照其他材料参数的问题，为水电机组Q500D大型焊接部件的强度分析与寿命计算提供了重要依据。