Page 117 - 机械工程材料2025年第三期

李洋阳，等：双金属复合管中L360MS管线钢焊接接头的疲劳裂纹扩展行为以及疲劳寿命预测

域组织为细小的珠光体和铁素体。与母材相同，当 数可知：母材试样在循环40 000周次之前，裂纹长度
裂纹扩展驱动力较小时，裂纹主要沿铁素体和珠光 几乎不发生变化，当循环次数达到约80 000周次时，
体晶界扩展，当裂纹驱动力较大时，裂纹主要以穿晶 裂纹长度开始快速增加，可以确定疲劳裂纹在循环
方式扩展。与母材相比，HAZ中裂纹曲折幅度较大， 80 000周次后，进入了快速扩展区，裂纹发生失稳扩
裂纹分支较多。与HAZ相比，焊缝中裂纹曲折幅度 展；HAZ试样在循环大约60 000周次之前，裂纹长
更大，这也说明焊缝具有较高的疲劳裂纹扩展抗性。 度几乎无变化，当循环次数达到120 000周次时，裂
2.4 疲劳裂纹扩展速率 纹长度开始快速增加，裂纹进入快速扩展区；焊缝试
由图 10 可以看出，母材、HAZ、焊缝中的疲劳 样在循环大约100 000周次之前，裂纹长度几乎无变
裂纹稳定扩展期较长，而快速扩展区相对较短。统 化，当循环次数达到200 000周次时，裂纹长度开始
计不同区域试样进入疲劳裂纹快速扩展区的循环次 快速增加，裂纹进入快速扩展区。

图 10 接头不同区域试样的典型 a-N 曲线
Fig. 10 Typical a-N curves of different samples from different zones of joint: (a) base metal sample; (b) HAZ sample and (c) weld sample

采用Smith法 ［17］ 对疲劳裂纹长度-循环次数数 用裂纹长度来计算与疲劳裂纹扩展速率相对应
据进行处理，计算出疲劳裂纹扩展速率da/dN。采 的裂纹尖端应力强度因子范围∆K，计算公式为
用Smith法求得的裂纹扩展速率反映的是裂纹整体 ∆ P (2+ ) α  0.886+4.64 -13.32 α 2 +
α
∆ K ⋅  
的扩展速率，具体计算公式如下： = B W (1- ) α 3 2 14.72α 3 -5.6α 4 

B
B
x
y = + ln +Bx （1）  （5）
/
2 i
i
0 i
1
= y - N N （2） 式中：∆P为最大载荷与最小载荷之差；B为试样厚
i i 1
度，4 mm；W为试样宽度，40 mm； α 为裂纹长度与
=x / a a （3）
i i 1 试样宽度的比值， α ≥0.2。
式中：N 为实时循环次数，i表示实时计数；N 为初 疲劳裂纹稳定扩展区即疲劳裂纹扩展第II阶
i
1
始循环次数；a 为开始计数时的初始裂纹长度；a 为 段的扩展曲线在双对数坐标下基本上呈线性，采用
i
1
实时裂纹长度；B ，B ，B 为待定系数，可根据试验 Paris公式 ［18］ 可以表示为
2
1
0
数据通过回归法得到。
da n
CK
对式（3）进行求导即可得到疲劳裂纹扩展速率： dN =(∆ ) （6）
da a 2 式中：C，n为材料常数，由试验确定。
i
= i （4）
d i ( N 1 i -Ba 21 ) B a 将式（6）两边取对数得到：
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