单个冲击对不锈钢管道焊接头低周疲劳寿命的影响

单个冲击对不锈钢管道焊接头低周疲劳寿命的影响摘要完成了单个冲击对1Cr18Ni9Ti不锈钢管道焊接头试样低周疲劳寿命影响的试验研究。单个试验最大瞬时峰值应变率达480s-1。试样未经消除焊接残余应力。采用成组法试验(每组7个试样)，对称加载模式，总应变幅为0.00228。结果表明，冲击影响受到焊接残余应力和冲击塑性导入机制的耦合作用。焊接残余应力与冲击应力叠加将增加材料损伤，而冲击塑性导入将减缓疲劳损伤和降低疲劳寿命分散性。前者扼制后者。考虑疲劳寿命的分散性，建议基于概率的冲击影响评价方法。试验结果的分析验证了方法的有效性。关键词不锈钢；焊接头；低周疲劳；冲击；疲劳寿命；概率评价中图分类号TG142.71；TG405文献标识码A文章编号1001-4381(1999)11-0014-05SingleImpactEffectsontheLowCycleFatigueLifeofaStainlessSteelPipe-WeldedJointAbstract：Anexperimentalinvestigationofthesingleimpacteffectswithhighstrainrateonthelowcyclefatiguelifeof1Cr18Ni9Tistainlesssteelpipe-weldedjointwasperformed.Agrouptest(7specimensforeachgroup)wasused.Thejointwasmadewithouteliminatingtheweldingresidualstress.Transientpeakstrainrateofthetestwasupto480s－1.Allfatiguetestsweremadeattotalstrainamplitudeof0.00228underfullyreversalloadingmode.Theresultsrevealthattheeffectsarerelatedtoacouplingactionoftheweldingresidualstressandtheimpactplastic-inducedmechanism.Theweldingresidualstress,plusimpactstress,tendstoincreasefatiguedamage,andincontrast,theimpactplasticity-inducedtendstoslowfatiguedamageandtodecreasethescatteroffatiguelife.Theformerchecksthelater.Inaddition,takingintoaccountthescatteroffatiguelifesaprobabilisticassessmentapproachofthesingleimpacteffectsispresentedanditsavailabilityisverifiedbythestatisticalanalysisoftestresults.Keywords：stainlesssteel;weldedjoint;lowcyclefatigue;impact;fatiguelife;probabilisticassessment结构材料在受爆炸或冲击载荷下的力学行为，是重要设备(如反应堆)安全技术和结构延寿的一个重要研究领域。疲劳是反应堆结构的潜在失效模式［1］。研究单个冲击对结构疲劳性能的影响是其中一个重要课题。对结构承受非常规疲劳加载的试验研究，在过载或周期性过载［1～3］和冲击疲劳［4～8］方面做了有益探索。但在偶然爆炸或冲击载荷对疲劳性能的影响方面，研究尚少。过载或周期过载对疲劳性能影响的研究［2～4］，一般是在常规疲劳恒幅加载史中插入高于材料屈服应力的高应力幅，材料应变率较低（一般小于10s－1）；冲击疲劳试验一般采用旋转四点弯曲加载形式［5］或在修正Hopkinson杆应力波加载装置上进行［6～7］，材料应变率可达400s－1,但其中没有常规疲劳载荷。本工作研究低周疲劳中出现高应变率单个冲击加载情况，以用于制造反应堆冷却管道的1Cr18Ni9Ti不锈钢管焊接头为对象，探索高应变率单个冲击载荷对其低周疲劳寿命的影响。1试验1.1材料和试样试样取材于图1所示1Cr18Ni9Ti不锈钢管道焊接头。试样几何形状和尺寸也在图1中给出。图1焊接管道和试样几何形状Fig.1Schematicsofweldedpipeandspecimengeometry母材(1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢)的化学成分(wt%)为：0.12C，1.0Si，2.0Mn，17～19Cr，8～11Ni，0.5～0.8Ti，0.03S，0.035P,余为Fe。8mm圆棒试样的拉伸试验表明，室温单调力学性能为：杨氏模量E＝165000～179000MPa，拉伸强度σb=434～478MPa，屈服强度σs=290～330MPa，延伸率δ5=40%～81%，断面收缩率ψ=45%～73%。焊接工艺按GBJ236—82规范，焊后不经热处理消除残余应力。采用如下8层手工焊接工艺过程:第1层，氩弧焊。采用直径为?φ3的H1Cr18Ni9Ti专用焊丝。熔敷金属的化学成分(wt%)为：0.05C，1.74Mn，0.64Si，17.92Cr，9.7Ni，0.67Ti，0.005S，0.023P,余为Fe。焊接电流100～104A，电压35～40V，焊速50～80mm/min，氩气量3～30L/min。第2～8层，电弧焊。采用直径为?φ3.2mm的CHS132专用焊丝。熔敷金属的化学成分(wt%)为：0.052C，0.80Mn，0.85Si，19.4Cr，9.1Ni，0.085Mo，0.073Cu，0.008S，0.58Nb,其余Fe。焊接电流125～140A，电压30～42V，焊速60～80mm/min。层间温差控制在60℃以内。焊接头试样拉伸试验表明，其室温单调力学性能为：E＝175000～247000MPa，σb=577～644MPa，σs=193～392MPa，δ5=31%～53%。1.2试验方法考虑固有的疲劳数据分散性，采用成组法试验（每组7个试样）。3组试样分别在疲劳前及疲劳1000循环和疲劳2500循环时实施冲击，另1组只做疲劳试验。疲劳试验在MTS809材料试验机上进行。采用0.00228总应变幅控制、三角波对称循环加载模式。加载应变率控制为恒量4×10－4s－1。为把握冲击能量尺度，使其控制在材料的有效弹性约束范围，首先完成非冲击试样的疲劳试验，以得到材料的低周疲劳单位循环滞回能数据。试验结果表明，其均值为2MJ*m－3*cycle－1。冲击试验在自制的自由落锤冲击装置上进行。材料响应通过贴在试样最小截面的应变计测量，并对称贴两个应变计以取其平均值。落锤冲击能量为100J，约为材料单位循环滞回能的20倍。2试验结果和讨论2.1材料的瞬时冲击响应图2给出了一个典型试样最小截面(焊缝金属)的冲击响应。其它试样的响应略有差异。图中数据揭示了材料受单个冲击的如下响应特点：(1)试验存在瞬时冲击振荡，这说明瞬时冲击载荷在材料有效瞬时弹性约束范围内。相应地，材料的变形运动具有振荡行为。大约经过两次振荡，冲击能量衰减到可以忽略的程度。(2)与疲劳试验得到的循环应力幅均值(300MPa)相比，冲击试验得到的材料第一、第二峰值瞬时应力幅分别为472901MPa和276603MPa，高出约1560和900余倍。这样高的瞬时载荷，仍在材料有效瞬时弹性约束范围，说明材料的抗瞬时冲击能力与通常静态(单拉)或准静态(疲劳)失效准则不同。(3)冲击实验得到的材料第一、第二峰值瞬时冲击应变率分别为484s－1和207s－1，为低周疲劳试验控制应变率(4×10－4s－1)的12×105和5×105倍。(4)冲击试验产生的第一、第二峰值瞬时总应变分别为8106μm和4986μm，残余应变为3306μm。塑性应变大于低周疲劳试验得到的平均塑性应变值2300μm。图2典型试样的冲击响应Fig.2Impactresponsesofatypicalspecimen2.2对低周疲劳寿命的影响与反应堆压力容器设计规范如ASMEsectionIII［1］一致，疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命，即光滑试样表面主导裂纹尺度达到0.5mm时的疲劳循环数［8］。考虑工程上疲劳寿命数据的应用范围是可靠度达到0.99左右。而试验数据的概率值，按中位秩法估计要达到0.99需要试样数69个，即使按常用平均秩估计也需要50个［9］。本文每组7个试样，属于有限数据下的可靠性分析问题，需要详细了解所用分布与可能的其它统计分布预计结果的差异，以及工程应用的安全性。文献［10］采用文献［9］方法，对本文材料6组试样分别在6个总应变幅水平下纯疲劳试验得到的裂纹萌生寿命数据，通过比较常用7种统计分布(三参数分布、两参数分布、正态分布、对数正态分布、极小值分布、极大值分布和指数分布)的总体拟合效果、预测结果与疲劳失效机制的一致性和统计分布尾部(工程应用范围)预测结果的安全性，说明对数正态分布和极大值分布可较好地应用于描述该材料的统计特征。采用同样方法，对本文4组低周疲劳寿命数据的统计分析，得出了同样结论。考虑到本研究服务于反应堆，有必要采用广泛应用且经证实可给出偏于安全估计的对数正态分布，而极大值分布的有效性留待进一步研究证实。疲劳寿命服从对数正态分布的概率密度函数可表示为：(1)式中，N为疲劳裂纹萌生寿命，μlg?N和σlg?N分别为对数疲劳寿命正态分布的位置参量和尺度参量,即对数裂纹萌生寿命的均值和均方差。本文试验得到的4组疲劳裂纹萌生寿命数据的对数正态分布统计参量点估计值如表1所示。同时，表中还给出了σlgN/μlgN（变异系数）值，以反映数据的分散性。在统计参量估计中，同文献［10］，为便于与其它常用统计分布预计结果的比较，与其它常用6种分布的统计参量估计一道，统一采用线性回归技术结合最小二乘法完成。置信限可应用相应统计方法求出，考虑到有限数据时置信区间大，置信限很难应用于实践，这里应用点估计值。4组数据的概率密度拟合曲线如图3所示。从表1和图3可知，对数疲劳裂纹萌生寿命的均值，非冲击试样高于疲劳前冲击试样，略小于1000循环时冲击试样，较2500循环时冲击试样更小。对数裂纹萌生寿命的变异系数，非冲击试样恒高于受冲击试样。冲击试样的变异系数随着冲击时疲劳循环数的增加而降低。其原因可能是：(1)焊接残余应力效应。焊接头残余应力的测定表明，焊接后，在过管道中心的纵向试样截面上，残留着最大值约为390MPa的拉应力，接近焊接头的屈服强度且分布很不均匀；在与圆周方向一致的试样截面上，也残留着最大值约为90MPa的拉应力且分布不均匀。疲劳1000循环时，前者仅有30MPa左右，后者约为20MPa，焊接残余应力基本消失。疲劳2500循环时，前者和后者都在20MPa范围波动，焊接残余应力完全消失。纯疲劳时，由于疲劳损伤的局部性及材料微观组织和残余应力分布的不均匀性，机械载荷与残余应力叠加可能大大加速疲劳在某些局部的损伤，致使对数疲劳裂纹萌生寿命均值较残余应力消除或部分消除再受冲击时低，且分散性大。表1疲劳裂纹萌生寿命的对数正态分布统计参量点估计值(疲劳总应变0.00228)Table1Pointevaluationsofthestatisticalparametersoflognormaldistributionforfatiguecrackinitiallifeofspecimensfatiguedattotalstrainamplitudeof0.00228组别冲击工况μlg?Nσlg?Nμlg?N/μlg?N1非冲击3.910030.3529980.090282疲劳前冲击3.683060.3141030.085283疲劳1000循环冲击3.972120.1607790.039464疲劳25