一种预测焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的方法

摘要

一种预测焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的方法，首先将试样进行高周疲劳测试，再针对其中的内部气孔启裂源的情况，在扫描电镜或三维白光干涉形貌仪下观察并测量疲劳裂纹启裂区面积和气孔在断裂面上的长短半轴，计算高周疲劳裂纹启裂区对应的应力强度因子幅，并通过双对数拟合的方法消除了焊接气孔形状的影响，达到预测焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值R=0的目的；本发明相比于已有研究，适用于高周疲劳启裂源多为气孔的焊接接头，扩大了已有成果的应用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢焊接接头力学性能领域，特别涉及一种预测焊接接头疲 劳裂纹扩展门槛值的方法。

背景技术

利用焊接方法制造大型核电汽轮机低压转子已成为能源装备制造领域的重 要方向。核电转子的设计服役期为60年，长期在高温、高湿等恶劣环境下高速 重载运行，因而疲劳裂纹的启裂环节是影响核电转子安全性的重要因素，特别 是针对焊接转子的焊接接头而言。

疲劳裂纹扩展门槛值是反映材料抗疲劳能力的一种重要指标，但是其测试 过程具有周期长、成本高等特点。高周疲劳反映了材料在低于屈服强度的循环 应力作用下的疲劳性能，已有的研究表明疲劳裂纹扩展门槛值和高周疲劳裂纹 的启裂环节有不少相似之处，并试图建立两者之间的联系；但是，已有的研究 基于启裂源为夹杂物的情况，而焊接接头内的启裂源多为焊接气孔，气孔的形 状将会对预测结果产生一定的影响。

因此，针对焊接接头疲劳裂纹启裂源为气孔的情况，提出使用高周疲劳测 试和断口观察预测疲劳裂纹扩展门槛值的方法具有重要的现实意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种预测焊接接头 疲劳裂纹扩展门槛值的方法，通过高周疲劳测试和断口观察来预测疲劳裂纹扩 展门槛值(R=0)，从而可以减轻实际产品的测试任务、指导实际生产。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种预测焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的方法，对材料焊接接头进行高周 疲劳测试之后，在扫描电镜或三维白光干涉形貌仪下观察并测量疲劳裂纹启裂 区的面积和气孔在端面上投影的长短半轴，计算高周疲劳裂纹启裂区对应的应 力强度因子幅，并对应力强度因子幅和长短半轴进行双对数拟合，消除气孔形 状的影响，然后计算材料焊接接头在应力比R=0时的疲劳裂纹扩展门槛值的预 测值。

上述预测焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：根据国家标准GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制 方法》，在室温下，对材料进行焊接接头的拉压对称正弦波的高周疲劳试验，当 试样断裂或循环次数达到预设次数时，终止疲劳试验；

步骤2：选择其中内部气孔启裂源的高周疲劳断口多个，在酒精中超声清洗 并消磁之后，使用扫描电镜或三维白光干涉形貌仪观察并测量高周疲劳裂纹启 裂区的面积area，并将气孔在断裂面上的投影近似为椭圆，测量椭圆的长短半 轴a和b；

步骤3：使用式(1)计算高周疲劳裂纹启裂区对应的应力强度因子幅ΔK₀；

${\mathrm{\Delta K}}_0=0.5\sigma \sqrt{\pi \sqrt{\mathrm{area}}}---\left(1\right)$

式中，σ为高周疲劳测试过程中的加载应力幅；

步骤4：将计算得到的应力强度因子幅ΔK₀与长短半轴之比a/b进行双对数 拟合，得到式(2)；

lg(ΔK₀)＝αlg(a/b)+c        (2)

式中，α和c均为系数；

步骤5、通过对式(2)的拟合使得应力强度因子幅ΔK₀中受椭圆形状a/b的影 响因素得以消除，然后通过式(3)的计算得到材料在应力比R=0时的疲劳裂纹扩 展门槛值的预测值ΔK′_th。

ΔK′_th＝10^c             (3)

和现有技术相比较，本发明的优点如下：

1、本发明可以取代或部分取代测试周期长、成本高的疲劳裂纹扩展门槛值 测试，具有简化测试流程、减轻测试任务等作用。

2、本发明针对具有气孔启裂源的焊接接头，扩大已有研究的应用范围。

3、在消除气孔形状的影响之后，预测结果与疲劳裂纹门槛值的测试值有较 好的一致性，实验验证该发明的准确性。

附图说明

附图为采用本发明方法对某一NiCrMoV转子钢多层多道埋弧焊焊缝金属的 疲劳裂纹扩展门槛值的预测的预测值与实测结果的比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

步骤1：根据国家标准GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制 方法》，在室温下，对材料进行焊接接头的拉压对称正弦波的高周疲劳试验。当 试样断裂或循环次数达到10⁷周次时，终止疲劳试验。

步骤2：选择其中内部气孔启裂源的高周疲劳断口至少3个，在酒精中超声 清洗3分钟并消磁之后，使用扫描电镜或三维白光干涉形貌仪观察并测量高周 疲劳裂纹启裂区的面积area，并将气孔在断裂面上的投影近似为椭圆，测量椭 圆的长短半轴a和b。

步骤3：使用式(1)计算高周疲劳启裂区对应的应力强度因子幅ΔK₀。

${\mathrm{\Delta K}}_0=0.5\sigma \sqrt{\pi \sqrt{\mathrm{area}}}---\left(1\right)$

式中，σ为高周疲劳测试过程中的加载应力幅。

步骤4：将计算得到的应力强度因子幅ΔK₀与长短半轴之比a/b进行双对数 拟合，得到式(2)。

lg(ΔK₀)＝αlg(a/b)+c          (2)

式中，α和c均为系数。

步骤5：式(2)的拟合使得应力强度因子幅ΔK₀中受椭圆形状a/b的影响因素 得以消除，从而可以经式(3)的计算得到材料在应力比R=0时的疲劳裂纹扩展门 槛值的预测值ΔK′_th。

ΔK′_th＝10^c              (3)

将本发明方法应用于某一NiCrMoV转子钢多层多道埋弧焊焊缝金属的疲劳 裂纹扩展门槛值的预测，预测与实测结果的比较见附图,从附图可以看出：预测 误差在5%以内。