海洋工程用钢疲劳寿命与CTOD 值关系的研究3

第 34卷 　第 2期 2010年 4月 武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) Journal of Wuhan University of Technology ( Transportation Science & Engineering) Vol. 34　No. 2 Apr. 2010 海洋工程用钢疲劳寿命与 CTOD值关系的研究 3 　　　　收稿日期 :2009212210 　　　　余　立 (19842 ) :男 ,硕士生 ,主要研究领域为海洋钢结构的疲劳断裂和韧性 　　 　3工业和信息化部科研项目资助 (批准号 :工信部装〈2009〉382号) 余　立1) 　苗张木1) 　马　涛2) 　冷晓畅1) (武汉理工大学交通学院1) 　武汉　430063) 　(上海外高桥造船有限公司2) 　上海　200137) 摘摘要要 :通过对钻井平台上所用高强钢 EQ70进行了韧度和疲劳性能的试验研究 ,得出了反映其韧 度指标的裂纹尖端张开位移 (CTOD)值和不同交变载荷下疲劳寿命值呈近似的线性关系 .在应力 幅值ΔP一定的情况下 ,疲劳寿命值 N 随着 CTOD值的增大而增大 ,并且在高应力幅的时候 ,对数 疲劳寿命和 CTOD值有比较好的线性关系 ,最后还从微观意义上解释了产生这种关系的原因. 关关键键词词 :海洋工程 ;高强钢 ;厚板 ;CTOD ;对数疲劳寿命 中中图图法法分分类类号号 : TB302. 3 DOI :10. 3963/ j. issn. 100622823. 2010. 02. 027 　　海洋工程用钢强度高、厚度大的特点决定了 疲劳性能和韧性会成为该领域所用钢材的 2个关 键参数[1 ] .本文选用在海工行业中具有代表性的 的 EQ70作为研究对象 ,对该钢种进行了全厚度 的 V裂纹尖端张开位移 (CTOD)试验和 4点弯曲 疲劳试验 ,分别得出了反映韧度指标的 CTOD值 和反映疲劳性能的对数疲劳寿命值 ,并得出了这 2个值之间的联系. 1　参数 试验所用母材是由日本住友金属工业株式会 社鹿岛制铁所提供 ,供货状态为调质钢 ,规格为 AB级 EQ70.厚度为 60 mm.主要力学性能 (常 温) :σs = 780 MPa ,σb = 829 MPa ,屈强比 k = 0. 96 , E = 210 GPa ,μ= 0. 3. 2　CTOD试验 2 . 1　　试试样样的的制制备备 试样的截取、制备是按规范 NS2EN102252 2001 [ 2 ]和 BS7448—1[3 ]进行.为了使 CTOD 值能 够准确地反映钢板的整体韧性 ,试样厚度应尽可 能接近原始钢板的厚度.另外 ,由于海工结构钢板 厚度大 , 如果按照规范如 GB2649—1989 , 用冲 击韧性来反映钢板的整体韧性 ,则要将厚度为 60 ～100 mm 的钢板 ,沿厚度方向取 3 个小的 试样 (10 mm×10 mm ×55 mm)来测量.从力学 角度看 , 这是把厚板材料原本所处的 3向应力状 态转变成为平面应力状态 , 然后再测量冲击韧 性. 这样会导致较大误差 , 并且是偏于危险 的[425 ] .因此 ,本文用 CTOD值来反映海工结构厚 板的韧度是科学的. 2 . 2　　实实验验过过程程 试样主要步骤如下 :试验前对荷载、位移测量 系统进行标定 ;放入试样后确定 F2V 曲线斜率 ; 加载、记录 F2V 曲线、卸载 ;对实验后载荷、位移 进行标定 ;二次疲劳、压断试样 ;断口读数测量 a0 及 a ;对数据和断口进行有效性检验.试验是在低 温槽中进行 ,试验温度为 - 10 ℃.由于温度对材 料韧度的影响很大 ,为了满足 BS7448—1 中试验 的保温要求 ,试验前将试样放在保温槽中保温 26 min以上 ,保温介质为无水酒精.根据实验中测的 数据 ,按下式计算 CTOD值. δ= [ FS B W 1 . 5 ×f ( a0 W ) ] 2 (1 - υ2 ) 2σs E + 0 . 4 (W - a0 ) V p 0 . 4W + 0 . 6 a0 + Z 式中 :δ为裂纹尖端张开位移 (CTOD) ; F为施加 的载荷 ; S 为 3 点弯曲试样的跨度 ; B 为试样厚 度 ;W 为试样宽度 ;υ为泊松比 ; E为弹性模量 ; a0 为原始裂纹长度 ; f 为 3 点弯曲试样 ( a0 / W )的函 数 ;V p 为裂纹嘴张开位移的塑性分量 ;σs 为材料 的屈服强度 ; Z为刀口厚度. 2 . 3　　试试验验结结果果和和有有效效性性检检验验 有效性试样尺寸和特征 CTOD 试样参数见 表 2 . 表表 2　　EQ70高高强强钢钢 CTOD试试样样参参数数及及其其 CTOD值值( - 10℃℃) 试样号 B/ mm W / mm a0/ mm δm/ mm 有效性 EQ70T60P1 51. 49 102. 94 52. 392 0. 637 有效 EQ70T60P2 51. 51 102. 92 52. 276 0. 824 有效 EQ70T60P3 51. 47 102. 90 52. 914 0. 865 有效 　　从表 2可以看出 ,虽然母材为同一种钢材 ,但 是其韧度值的离散型较大 ,这和疲劳寿命的离散 型有一定的相似 ,但是具体原因是否是由于材料 本身性能因素的影响还需要进一步的做对比性的 疲劳试验. 3　疲劳试验 3 . 1　　试试样样的的制制备备 为了尽量避免钢材在轧制过程中的不均匀对 实验数据的影响 ,本文的疲劳试样是从 CTOD试 验压断试样上取得 ,称压断试样为母块 ,从压断试 样上取下的小试样为子块.同时本文考虑到海洋 工程用钢钢板很厚 ,从力学角度来看钢板处于平 面应变状态 ,在厚度方向同样存在平面应力向平 面应变状态转化的问 ,为了客观的反映海工结 构的实际受力状况 ,本文没有采用圆棒或者薄板 等传统的疲劳标准试样 ,而是将试件在 CTOD试 验压断试样的基础上从截面一分为 4加工成同样 满足宽厚比 (W/ B)为 2的的矩形疲劳标准试样 , 其尺寸为 240 mm ×40 mm ×20 mm. 同时 , CTOD编号和疲劳试样编号 (均为截面图)对应 关系如图 1所示 ,试块下面的编号为母块的编号 , 截面上的编号为疲劳试样的编号. 此次疲劳试验要研究的是同一级应力幅下的 不同试样的横向寿命的影响因素 ,由文献[6 ]知道 图 1　疲劳试样编号 影响疲劳寿命的因素很多 ,例如几何因素、表面状 况、平均应力、温度等.文献[ 7 ]的研究又进一步证 明影响疲劳寿命的关键 2个因素是材料的表面缺 陷和材料的自身性能.因此本文在试验满足几何 因素、平均应力、温度等因素一致条件下 ,材料的 表面因素和材料自身的性能则成为影响实验的两 个关键因素 ,这恰恰也是文献[ 7 ]中影响疲劳性能 提到的关键影响因子.鉴于此次疲劳试验的目的 是研究材料自身的性能 ,为了在同一级应力幅下 使试件表面也达到一致的标准 ,本文在取样和加 工时本文采取了以下的措施. 1) 统一规定图 1 中箭头所标示的面为疲劳 实验的受拉面.因为箭头所示的面是没有进行二 次机加工的表面 ,这样避免机加工产生的二次残 余应力. 2) 在对压断试样进行锯断、铣、磨等机加工 时机器都向一个方向进刀 ,将机加工对试件分散 性的影响减为最小. 3) 对于疲劳试验在同一应力幅 ,试验采用的 是同样横截面位置的试件.因为同样位置的试件 在 CTOD试验和二次机加工时受力的状态是相 同的.例如 :1 号、5号、9 号、13 号、17 号、21 号就 将做同一个应力级的疲劳试验. 4) 试件加工后依次用 80号、500号、800号、 1 000号砂纸以及金相砂纸顺着长度方向对试件 表面进行打磨 ,每种砂纸的打磨次数不少于 200 次 ,从而大大的减少表面因素对实验数据的影响. 3 . 2　　实实验验过过程程 疲劳试验是在 J XG2200 高频疲劳试验机上 完成 ,采用四点弯曲加载.本文参照 ASTM E606 (04) [8 ]关于温度的要求 ,试验温度控制在 20 ℃, 温度的允许误差为±2 ℃. 有研究表明 ,4 点弯曲疲劳试验会受到契型 应力的影响.根据 T. Zhai 文献 [ 5 ]中有限元研究 结果表明当上压头 (主动加载的压头)的距离 a、 试样的宽度 W、试样的跨距 S 满足 a/ W < 1 . 33 , S/ a = 4. 5的关系时可以有效地降低契型应力的 影响.本文取 a = 36 mm ,S = 160 mm使得 a/ W = 0 . 9 < 1 . 33 , S/ a = 4. 44≈4. 5. 试件的名义应力用下式计算 σ= 3 ( S - a) F 2BW 2 式中 :B 为试件的厚度 ; P为施加的载荷. 疲劳试验将测试 3个不同应力幅时材料疲劳 寿命和韧度的关系.疲劳荷载为正弦交变荷载 ,平 ·423· 武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) 2010年　第 34卷 均值 Fm = 70 kN ,最大动荷载分别为ΔF1 = 55 kN ,ΔF2 = 59 kN ,ΔF3 = 66 kN.各试件对应的应 力级如表 3所列. 表表 3　　试试件件应应力力级级安安排排 应力级 动载荷值/ kN 　　　　　　子块编号　 　　　　　 一级应力 ΔP1 2 # 6 # 10 # 14 # 18 # 22 # 二级应力 ΔP1 1 # 5 # 9 # 13 # 17 # 21 # 三级应力 ΔP1 3 # 7 # 11 # 15 # 19 # 23 # 4 # 、8 # 、12 # 、16 # 、20 # 、24 #为备用子块 3 . 3　　试试验验结结果果 疲劳数据在下一节图表给出 ,其中 21号试件 在经历 2×106 次后仍然没有出现裂纹 ,则 21 号 试块视为无效试件. 4　对比试验 4 . 1　　试试验验数数据据的的对对比比 为了便于疲劳寿命的分析 ,将子块的平均寿 命取对数处理. CTOD 值和不同应力级下的对数 疲劳寿命关系如表 4～表 6所列. 表表 4　　55 kN级级疲疲劳劳寿寿命命与与韧韧度度值值的的比比较较 母 块 编 号 子 块 编 号 子块寿命 / (×103 次) 平均寿命 / ( ×103 次) 对 数 寿 命 CTOD δm/ mm EQ70T60P1 10 # 22 # 1036. 3 927. 1 981. 7 5. 991 9 0. 637 EQ70T60P2 2 # 6 # 1 237. 2 1 355. 1 1 296. 2 6. 1126 0. 824 EQ70T60P3 14 # 18 # 1 566. 4 1 637. 2 1 601. 8 6. 204 6 0. 865 表表 5　　59 kN级级疲疲劳劳寿寿命命与与韧韧度度值值的的比比较较 母 块 编 号 子 块 编 号 子块寿命 / (×103 次) 平均寿命 / ( ×103 次) 对 数 寿 命 CTOD δm/ mm EQ70T60P1 9 # 21 # 745. 5 未 断 745. 5 5. 8546 0. 637 EQ70T60P2 1 # 5 # 887. 1 929. 1 908. 1 5. 958 1 0. 824 EQ70T60P3 13 # 17 # 1 017. 2 1 335. 4 1 176. 3 6. 070 5 0. 865 表表 6　　66 kN级级疲疲劳劳寿寿命命与与韧韧度度值值的的比比较较 母 块 编 号 子 块 编 号 子块寿命 / (×103 次) 平均寿命 / ( ×103 次) 对 数 寿 命 CTOD δm/ mm EQ70T60P1 12 # 24 # 223. 1 196. 0 209. 8 5. 321 2 0. 637 EQ70T60P2 4 # 8 # 383. 5 334. 5 359. 0 5. 555 1 0. 824 EQ70T60P3 16 # 20 # 445. 0 375. 6 410. 3 5. 613 1 0. 865 　　现将 3种应力幅下的对数疲劳寿命和对应母 块的 CTOD值之间的数据按照最小二乘法进行 线性拟合 ,关系如图 2所示. 由图 2可见 ,对数疲劳寿命和 CTOD值拟合 的关系可以用下面的式子来表示 lg N = tδ+ k 式中 : t 和 k 分别为对数疲劳寿命和 CTOD 值 关系的待定系数.其中 : t为韧度和疲劳寿命的敏感 图 2　对数疲劳寿命和 CTOD值的关系 系数.将实验数据代入上述方程求得待定系数 ,并 计算拟合方程与实验数据的残差 ,数据如表 7 所列. 表表 7　　对对数数疲疲劳劳寿寿命命和和 CTOD值值方方程程和和残残差差 荷载幅值ΔP/ kN 拟合方程 残差 55 lg N 1 = 0 . 844 3δ1 + 5. 448 4 0. 041 1 59 lg N 2 = 0 . 825 6δ2 + 5. 320 9 0. 056 3 66 lg N 3 = 1 . 271 3δ3 + 4. 510 8 0. 004 2 　　从图 2和表 8可以得出以下几种规律 : (1) 3 个母块的韧度值的大小排列顺序正好和相应子块 疲劳寿命的大小排列顺序相符合.即韧度越大 ,则 在同一级载荷幅下疲劳寿命也越长 ,反之 ,韧性越 小 ,则在同一级载荷幅下的疲劳寿命也越短 ; (2) 对数疲劳寿命和 CTOD值之间存在一定的关系 , 在较高的疲劳应力幅下 (ΔF3 = 66 kN) ,对数疲劳 寿命和材料的韧度值 CTOD值具有较好的线性 , 残差仅为 0. 0042.在较低应力幅下 (ΔF1 = 55 kN 和ΔF2 = 59 kN)两者呈近似的线性关系 ,残差分 别为 0. 041 1和 0. 056 3.即在疲劳应力幅较大的 时候 ,对数疲劳寿命和 CTOD之间的线性相关度 更大 ; (3)在较高疲劳应力幅下拟合方程的敏感系 数 t较大 ,在较低疲劳应力幅下敏感系数 t较小. 这说明在高应力幅情况下 ,疲劳寿命受材料韧性 变化的影响更大. 4 . 2　　对对比比试试验验分分析析 通过以上的数据对比 ,本文认为韧度值和疲劳 寿命有这种联系是跟裂纹产生的原因有关.图 3为 CTOD试验示意图 ,它反映了在施加静载过程中裂 纹开裂的过程 ,图 4为施加疲劳载荷时疲劳裂纹产 生的过程 ,当应力振幅不小于材料的疲劳极限时 , 在经过一定循环周次后 ,金属表面部分晶粒中开始 ·523·　第 2期 余　立 ,等 :海洋工程用钢疲劳寿命与 CTOD值关系的研究 出现滑移 ,随着循环次数的增大 ,滑移变粗、变宽 , 部分滑移带带会成为驻留滑移带 (persistent slip band) [9 ] .循环变形使得试样表面变得粗糙 ,形成挤 出脊 (extrusion)和侵入沟 (intrusion) (如图4 a) ) .表 面显现的侵入沟处有很强的应力集中 ,使滑移进一 步加剧 ,从而向裂纹演化.从微观上来看 ,一旦材料 表面发生滑移并形成侵入沟 ,侵入沟相对于瞬间完 成的一次疲劳加载也可以看作是 CTOD试验施加 静载的过程 ,而这个过程从宏观上来说是材料裂纹 产生的过程 (如图 4 b) ) ,而滑移带的形成是在最初 几千周次内完成 ,这相对于试件的整个寿命来说只 是很小的一个部分 ,这就可以解释为什么在排除其 他外界因素的干扰下 ,仅对材料的自身性能进行研 究时 ,对数疲劳寿命和材料的韧性值 CTOD有较 好线性关系 ,尤其是在疲劳载荷较大的时候 ,因为 大的载荷可以更好的压制其他因素对疲劳寿命的 干扰. 图 3　CTOD示意图 图 4　疲劳启裂过程 　　另外 ,根据文献 [ 10 ]所述 ,对于短寿命区 ,即 应力幅较大的时候 ,疲劳寿命是遵循正态分布的. 根据疲劳寿命和 CTOD值成线性关系 ,可以间接 的推断出该种材料的 CTOD 值是服从正态分 布的. 5　结　　论 1) CTOD值和对数疲劳寿命值存在一定关 系 ,韧性越好 (CTOD 值越大) ,其在同级疲劳载 荷下的疲劳寿命也越长. 2) 在高应力幅的时候对数疲劳寿命和 CTOD值存在很好的线性关系 ,利用这个关系可 以用少量的试验量就能得到更多的材料参数. 3) CTOD值不但可以反映材料抵抗裂纹开 裂的能力 ,而且可以反映材料抵抗裂纹产生的能 力. 4) 海洋工程用高强钢在同种厚度、同种温度 下的 CTOD值是遵循正态分布的. 本文试验对应的数据是同一个母块上取得 , 由于两个实验对试验设备要求很高 ,CTOD 试验 和 4点弯曲疲劳试验的关系式是在不同温度和不 同厚度的情况下得出 ,关于温度和厚度分别对两 者关系的影响不能从关系式中分离出来 ,这一点 还有待于进一步的研究.但是韧性和疲劳性能之 间存在关系是可以确定的 ,并且这种关系为以后 2个值之间的相互参考甚至相互推导提供了试验 依据. 参参 考考 文文 献献 [1 ] 苗张木. 厚钢板焊接接头韧性 CTOD评定技术研究 [D ] . 武汉 :武汉理工大学交通学院 ,2005. [2 ] Norsk Standard NS2EN 10225. Weldable st ructural steels for off shore st ructure2 techctures delivery con2 ditions[ S] . Brussels :CEN National Members ,2001. [ 3 ] BS7448 Part 1. Fracture mechanics tonghness test [ S] . London : BSI publications ,1991. [4 ] 苗张木 ,曹　锦 ,马　涛 ,等. FPSO 模块支墩焊接接 头低温 CTOD 韧度试验研究 [J ] .中国造船 , 2007 , 48 (3) :73279. [5 ] 陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M ].北京 :机械工 业出版社 ,2006. [6 ] 赵少汴 ,王忠保.抗疲劳———方法与数据 [ M ] . 北京 :机械工业出版社 ,1997. [7 ] Morrison M L , Buchanan R A , Liaw P K , et al. Four2 point2bending2fatiguet reloy 105 bulk metallic glass[J ] . Materials Science and Engineering , 2007 , A 467 :1902197. [8 ] ASTM E606. Standard practice for st rain2controlled fatigue testing [ S ] . West Conshohocken : ASTM In2 ternational ,2004. [9 ] 陈建桥.材料强度学 [ M ] .武汉 :华中科技大学出版 社 ,2008. [10 ] 高镇同 ,熊峻江.疲劳可靠性 [ M ] . 北京 :北京航空 航天大学出版社 ,2000. ·623· 武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) 2010年　第 34卷 Research on Relationship between CTOD and Fatigue Life of Off hore Engineering Steel Yu Li 1) 　Miao Zhangmu1) 　Ma Tao2) 　Leng Xiaochang1) ( S chool of T rans portation , W uhan Universi t y of Technolog y , W uhan 430063) 1) ( S hanghai W ai gaoqiao S hi pbui l di ng Com pany , S hanghai 200137) 2) Abstract :Based on the research on the experiment s of toughness and fatigue performance of steel EQ70 , which is mainly applied in drilling platform , linear relation is established between CTOD (Crack Tip Opening Displacement) used as an indicator of toughness of materials and fatigue life un2 der alternating loads. When the st ress amplit udeΔP is constant , t he fatigue life N increases according to t he raise of CTOD. Particularly , under high st ress amplit ude , t he linear relation between the log2 arit hm of fatigue life and CTOD is much more conspicuous. Also , explanation f rom microscopic aspect is given. Key words :oceaning engineering ; high st rengt h steel ; t hick plate ; CTOD ; logarit hm of fatigue life (上接第 265页) Study on Algorit hm of Unbiased Least Square Estimator for Bearings2only Target Motion Analysis Liu Jian 1 ,2) 　Liu Zhong2) ( Col lege of N aval A rchi tecture & Power Engi neeri ng , N aval Universi t y of Engi neeri ng , W uhan 430033 , China) 1) ( Col lege of Elect ronics Engi neering , N aval Universi t y of Engi neering , W uhan 430033 , Chi na) 2) Abstract : In t he p roblem of bearings2only target motion analysis , t he LSE algorit hm always has a bi2 ased estimation , while the EKF or MIV algorit hm may be divergence if given improper initial value. An unbiased LSE algorit hm is brought forward in t his paper which obtains target’s moving parameters using t he generalized eigenvector of t he pair mat rixes t hat gives t he minimum generalized eigenvalue t hought augmenting t he dimension of state variable. The Monte2Carlo simulation result s demonst rate t hat t he new ULSE algorit hm can be approach to the Cramer2Rao Lower Bound (CRLB) asymptotical2 ly and has a bet ter filter performance in accuracy. Key words :bearings2only ; target motion analysis ( TMA) ; unbiased ; least square estimator (LSE) ·723·　第 2期 余　立 ,等 :海洋工程用钢疲劳寿命与 CTOD值关系的研究