鑄造起重機結(jié)構(gòu)鋼Q345B中溫環(huán)境疲勞損傷研究.pdf

1、重大機械裝備長期工作在復雜環(huán)境下，金屬結(jié)構(gòu)和零部件力學性能逐漸退化，一旦發(fā)生事故，極易造成重大經(jīng)濟損失和重大人員傷亡。鑄造起重機作為一種特殊的重大機械裝備，在承受載荷的同時，還受到高溫環(huán)境的影響，金屬結(jié)構(gòu)一旦失效，懸吊于橋架下方的上百噸鋼水就會發(fā)生傾倒，其后果不堪設(shè)想。所以對鑄造起重機金屬結(jié)構(gòu)壽命評估和可靠性分析對于防止事故發(fā)生是非常重要的。
　　鑄造起重機金屬結(jié)構(gòu)復雜，制造成本較高，用鑄造起重機金屬結(jié)構(gòu)直接進行疲勞試驗研究并不現(xiàn)

2、實，只能通過分析材料的疲勞損傷來預(yù)測金屬結(jié)構(gòu)的壽命。Q345B鋼是工程中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)鋼之一，但目前對于Q345B鋼的力學性能研究僅有常溫下的少量數(shù)據(jù)，對于中溫下的力學性能研究也僅僅是靜拉伸力學性能分析，中溫環(huán)境下Q345B鋼的疲勞損傷行為研究更是少之又少，針對這種現(xiàn)狀，本文對鑄造起重機常用材料Q345B鋼，進行了中溫環(huán)境下的拉伸疲勞試驗和裂紋擴展試驗，研究了Q345B鋼在不同階段的疲勞損傷行為，具體內(nèi)容如下：
　　測試了Q345

3、B鋼在不同溫度下的靜拉伸性能，通過不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了溫度對屈服平臺的影響。同時，通過實驗數(shù)據(jù)分析得到Q345B鋼彈性模量、屈服極限和強度極限隨溫度變化的趨勢，為中溫疲勞試驗應(yīng)力水平的選取提供依據(jù)。
　　對 Q345B鋼進行了不同應(yīng)力幅值（420~480MPa）和不同環(huán)境溫度下（20℃~400℃）應(yīng)力控制的疲勞試驗，通過疲勞試驗數(shù)據(jù)分析，得到了不同溫度的應(yīng)變范圍變化規(guī)律。當環(huán)境溫度變化時，應(yīng)變范圍變化規(guī)律不同，并不是隨

4、溫度呈現(xiàn)單調(diào)的變化趨勢，在溫度為320℃時，循環(huán)初期應(yīng)變范圍迅速下降，出現(xiàn)循環(huán)硬化現(xiàn)象，而其它溫度應(yīng)變范圍都呈現(xiàn)出上升的趨勢，出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象。分析不同溫度的平均應(yīng)變變化曲線，當溫度為320℃附近時，都經(jīng)歷了平均應(yīng)變速率穩(wěn)定階段，而其它溫度的試件直到斷裂，應(yīng)變速率仍未穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，由于動態(tài)應(yīng)變時效的原因，在320℃時有效的抑制了循環(huán)中的塑性變形。
　　通過不同溫度下應(yīng)力控制疲勞試驗數(shù)據(jù)，以三參數(shù)（理論疲勞極限，疲勞抗力系數(shù)，

5、疲勞指數(shù)）的應(yīng)力壽命方法擬合出Q345B鋼在不同溫度下的最大應(yīng)力與壽命函數(shù)關(guān)系式，以及平均應(yīng)力修正后的應(yīng)力壽命函數(shù)關(guān)系式，然后擬合出考慮應(yīng)力安全系數(shù)后的應(yīng)力壽命模型。通過擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)在320℃時，疲勞極限達到最大值。然后在溫度區(qū)間20℃~320℃和320℃~400℃，將溫度T分別擬合到考慮應(yīng)力安全系數(shù)后的三參數(shù)應(yīng)力壽命模型中的疲勞抗力系數(shù)、疲勞指數(shù)與疲勞極限中，得到了含溫度變量的三參數(shù)應(yīng)力壽命模型和平均應(yīng)力修正后的三參數(shù)應(yīng)力壽命模型，為

6、Q345B鋼在中溫環(huán)境下疲勞壽命預(yù)測提供計算模型。
　　基于損傷力學理論，將循環(huán)過程中的平均應(yīng)變εN與材料斷裂時的平均應(yīng)變εf比值作為損傷變量，在雙對數(shù)坐標下，通過擬合得出lg(1-D)與lg(1-N/Nf)的線性關(guān)系，從而確定損傷模型中的待定系數(shù)Do（初始損傷）和損傷指數(shù)q，在得到不同應(yīng)力和不同溫度條件下所對應(yīng)的損傷指數(shù)q后，將最大循環(huán)應(yīng)力σmax和溫度T擬合到損傷指數(shù)q(σmax,T)中，體現(xiàn)出不同應(yīng)力以及不同溫度對損傷模型的

7、影響。再將包含溫度變量 T的應(yīng)力壽命模型代入損傷退化模型中，得到了能夠綜合體現(xiàn)應(yīng)力水平和溫度變量T的損傷退化模型。
　　將損傷力學與有限元方法相結(jié)合，采用有效應(yīng)力法，對鑄造起重機金屬結(jié)構(gòu)裂紋萌生階段壽命進行模擬計算。此方法可以有效的提高在大模型下有限元計算效率。
　　通過不同溫度下Q345B鋼的裂紋擴展實驗，研究了環(huán)境溫度對Q345B鋼裂紋擴展行為的影響，得到了Paris公式中的參數(shù)C和m隨環(huán)境溫度T的變化規(guī)律。為中溫環(huán)境下