拉伸平均應(yīng)力對冶金起重機(jī)主梁Q345鋼多軸加載下疲勞失效的影響

本文系統(tǒng)研究了拉伸平均應(yīng)力對冶金起重機(jī)主梁用Q345鋼在多軸載荷下疲勞失效行為的影響，通過系統(tǒng)的實驗研究、理論分析和微觀表征，揭示了平均應(yīng)力在多軸疲勞中的作用機(jī)制，并對工程安全評估提供了重要依據(jù)。以下是主要研究內(nèi)容與結(jié)論的詳細(xì)總結(jié)：

一、研究背景與意義

冶金起重機(jī)主梁常采用Q345鋼制造，其在服役過程中承受復(fù)雜的多軸交變載荷，且常存在由于自重、殘余應(yīng)力或外部振動引起的平均應(yīng)力。平均應(yīng)力對疲勞壽命有顯著影響，尤其在多軸應(yīng)力狀態(tài)下更為復(fù)雜。現(xiàn)有起重機(jī)設(shè)計規(guī)范（如GB/T 3811—2008）仍基于單軸疲勞理論，未能充分考慮多軸載荷與平均應(yīng)力的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致實際結(jié)構(gòu)疲勞壽命低于設(shè)計預(yù)期，存在安全隱患。

二、試驗方法與設(shè)計

1. 材料與試樣：

- 采用Q345低碳鋼，試樣工作段直徑8 mm，長度10 mm，表面經(jīng)精細(xì)拋光至粗糙度Ra < 0.2 μm，以減小數(shù)據(jù)分散性并便于觀察裂紋行為。

2. 試驗設(shè)備與加載條件：

- 使用MTS-809電液伺服拉扭疲勞試驗機(jī)，在室溫大氣環(huán)境中進(jìn)行試驗。

- 首先進(jìn)行單軸拉壓和純扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，繪制S-N曲線，確定后續(xù)多軸試驗的等效應(yīng)力（275 MPa）。

- 多軸試驗采用比例加載（應(yīng)力幅比λ=1，相位差δ=0°），設(shè)置四組拉伸平均應(yīng)力（σ? = 15, 30, 45, 60 MPa），每組3個試樣。

3. 觀測與分析方法：

- 使用光學(xué)顯微鏡觀察表面裂紋萌生與擴(kuò)展路徑；

- 采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析斷口微觀形貌，包括疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。

三、主要研究結(jié)果

1. 疲勞壽命變化規(guī)律：

- 多軸疲勞壽命隨拉伸平均應(yīng)力增大而顯著降低。尤其在σ?從30 MPa增至45 MPa時，壽命出現(xiàn)驟降，與多裂紋協(xié)同擴(kuò)展機(jī)制有關(guān)。

- 在相同等效應(yīng)力下，多軸疲勞壽命介于單軸拉壓和純扭轉(zhuǎn)壽命之間，說明扭轉(zhuǎn)載荷的參與顯著影響疲勞行為。

2. 裂紋行為分析：

- 萌生階段：所有試樣裂紋均萌生于最大切應(yīng)力幅值平面（MSSA平面），與理論預(yù)測一致。

- 擴(kuò)展階段：低σ?時裂紋沿最大切應(yīng)力平面擴(kuò)展；高σ?（≥45 MPa）時，多個裂紋同時萌生并相互連接，形成網(wǎng)狀裂紋結(jié)構(gòu)，顯著加速失效過程。

3. 斷口微觀形貌特征：

- 疲勞源區(qū)：

- 低σ?（0–15 MPa）：可見明顯滑移線和擠壓痕跡，表明正應(yīng)力主導(dǎo)；

- 高σ?（≥30 MPa）：滑移線減少，出現(xiàn)擦傷痕跡，切應(yīng)力作用增強(qiáng)。

- 擴(kuò)展區(qū)：

- 可見清晰疲勞條帶，條帶間距隨σ?增大而增加，反映裂紋擴(kuò)展速率加快。

- 瞬斷區(qū)：

- 主要特征為剪切韌窩（拋物線形），表明切應(yīng)力主導(dǎo)最終斷裂；

- 隨著σ?增大，等軸韌窩（圓形）數(shù)量略有增加，說明正應(yīng)力作用增強(qiáng)，但切應(yīng)力仍占主導(dǎo)。

4. 理論分析：

- 通過推導(dǎo)多軸應(yīng)力狀態(tài)下任意平面應(yīng)力表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)：

- 最大正應(yīng)力隨σ?增大而顯著升高；

- 最大切應(yīng)力幅值及其方向不受σ?影響，但其絕對值因σ?增大而升高；

- 切應(yīng)力在多軸疲勞中的作用隨σ?增大而逐漸占據(jù)主導(dǎo)。

四、工程啟示與建議

1. 設(shè)計規(guī)范需更新：現(xiàn)行起重機(jī)設(shè)計規(guī)范中疲勞評估方法未考慮多軸載荷和平均應(yīng)力的影響，建議引入多軸疲勞準(zhǔn)則和平均應(yīng)力修正模型。

2. 監(jiān)測與維護(hù)建議：在實際服役中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高應(yīng)力區(qū)域的平均應(yīng)力狀態(tài)，定期進(jìn)行無損檢測，尤其是多裂紋萌生區(qū)域。

3. 材料與工藝優(yōu)化：可通過表面處理（如噴丸強(qiáng)化）引入壓應(yīng)力，抵消拉伸平均應(yīng)力的不利影響。

五、結(jié)論

本研究表明，拉伸平均應(yīng)力顯著降低Q345鋼在多軸加載下的疲勞壽命，并通過改變應(yīng)力狀態(tài)主導(dǎo)機(jī)制（由正應(yīng)力轉(zhuǎn)向切應(yīng)力）影響裂紋萌生與擴(kuò)展行為。高平均應(yīng)力下多裂紋協(xié)同擴(kuò)展是壽命驟降的主要原因。該研究為起重機(jī)主梁等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的多軸疲勞設(shè)計與安全評估提供了實驗與理論支持。