CN103868808A - 一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁材料的检测领域，通过将本检测方法与相关断裂力学理论相结合可以用于评估桥梁用缆索和预应力钢丝的剩余寿命。一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法，其特征在于，在对预裂纹的冷拔高强钢丝试件实施疲劳加载，直至钢丝断丝，再通过对断面上疲劳荷载形成的条纹进行测量，通过在双对数图上绘制裂纹扩展速率-应力强度因子幅曲线，采用最小二乘法计算曲线拟合，得到冷拔高强钢丝的Paris公式曲线拟合参数C和m，根据Paris公式计算冷拔高强钢丝在任意给定的裂纹长度a和应力幅Δσ条件下的裂纹扩展速率。本发明为评估冷拔高强钢丝的疲劳寿命提供技术支持。

Description

一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁材料的检测领域，通过将本检测方法与相关断裂力学理论相结合可以用于评估桥梁用缆索和预应力钢丝的剩余寿命。

背景技术

冷拔高强钢丝是20世纪初期开发的一种高强度钢材。这种材料通过对高强度热轧钢棒进行多次冷拔加工，实现进一步提高材料强度的目的。目前桥梁用冷拔高强钢丝的常用规格有￠5mm和￠7mm两种。

这种材料的特点是强度较高，为常规桥梁用结构钢强度的3～5倍。但由于这种材料是经过多次冷拔得到的，因此构成材料的珠光体晶体在冷拔过程中排列方向发生改变，由原先的杂乱无方向趋向于平行钢丝轴线方向。

冷拔高强钢丝具有只能受拉，不能受压的特点。而冷拔处理虽然提高了钢丝的强度，但同时也降低了钢丝的延性，导致钢丝易于断裂，如果某个桥梁结构同时存在多处钢丝断裂可能导致整体结构的垮塌，危害使用者生命财产安全。因此目前业界对冷拔高强钢丝的耐久性(疲劳寿命)较为关注。

目前分析冷拔高强钢丝的疲劳寿命可以采用两种方法：基于线性累积损伤理论的Miner法和基于断裂力学理论的裂纹扩展分析法。

其中Miner方法需要先测定冷拔高强钢丝的疲劳曲线，再根据相关计算公式计算高强钢丝的疲劳寿命。但测定冷拔高强钢丝的疲劳曲线需要对大量冷拔钢丝(试验钢丝数量可能超过100根，如果对精度要求较高则需要的钢丝数量更高)进行疲劳试验，其对于高周疲劳试验的试验时间较长，这导致整体测量费用过高。

采用基于断裂力学理论的裂纹扩展分析方法需要先测定材料对应于不同裂纹长度时的裂纹扩展速率，再结合Paris公式或者其改进公式分析裂纹的扩展规律。

测量材料裂纹扩展速率的常规方法是按《金属材料疲劳裂纹扩展测试方法》(GB/T6398-2000)或《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》(ASTM E647-1995a)加工试件，再通过在试件上安装的传感器测量裂纹长度或者从试件侧面直接通过光学设备测量裂纹长度。但该方法并不适用于冷拔高强钢丝的裂纹扩展测量，主要限制因素包括：冷拔高强钢丝的材料规格过小，无法加工成规范中所要求规格的试件；冷拔高强钢丝的材料规格过小，无法安装常规的传感器设备，如果特制专用传感器则会大幅度增加试验费用；冷拔高强钢丝的侧面为圆曲面，且裂纹在钢丝中扩展时连接裂纹前缘所有点形成的线也是曲线，采用光学设备无法观测不裂纹前沿，也就无法测量裂纹的长度。

确定冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的另一种方式是直接用未经冷拔的热轧钢棒作为替代品测试裂纹扩展速率，但是由于冷拔高强钢丝在冷拔过程中晶体排列发生改变，由各向同性材料转变为近似各向异性材料，无法判断替代材料的裂纹扩展速率是否能代表冷拔高强钢丝的裂纹扩展速率。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种冷拔高强钢丝的裂纹扩展速率检测方法，为评估冷拔高强钢丝的疲劳寿命提供技术支持。

本发明方法原理：利用金属在不同应力幅疲劳荷载作用下所形成的裂纹面的微观结构不同，在高强钢丝断裂面上形成一系列的条纹，借助这些条纹来判断裂纹的扩展速率。

本发明技术方案表征为：

一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法，其特征在于，在对预裂纹的冷拔高强钢丝试件实施疲劳加载，直至钢丝断丝，再通过对断面上疲劳荷载形成的条纹进行测量，通过在双对数图上绘制裂纹扩展速率-应力强度因子幅曲线，采用最小二乘法计算曲线拟合，得到冷拔高强钢丝的Paris公式

曲线拟合参数C和m，根据Paris公式计算冷拔高强钢丝在任意给定的裂纹长度a和应力幅Δσ条件下的裂纹扩展速率。

上述技术方案中，制作便于加载且可以节省试验时间的预制缺陷冷拔高强钢丝试件。试件的长度应根据传力的需要以及夹具的尺寸来设计，为了减少裂纹形核阶段耗费的试验时间，在试件表面加工近似于裂纹的初始缺陷，该缺陷应具有足够的深度以便提高缺陷处的应力强度因子，同时缺陷深度又不能过高，导致对可以形成疲劳条纹区域的压缩。为此，检测用试件采用冷拔高强钢丝制作，试件直径维持钢丝直径不变，试件长度介于250mm～300mm之间，试件表面预制缺陷位于试件中间距试件端部125mm～150mm处，预制缺陷为垂直于试件轴线的线切割横缝，横缝宽度不得大于0.15mm，横缝深度为1.00±0.10mm。

上述技术方案中，利用疲劳荷载在钢丝断面上形成条纹，在期望出现条纹的时刻对冷拔高强钢丝试件施加不同于正常试验疲劳荷载的特殊疲劳荷载，其应力比与试验疲劳荷载相同，但应力幅介于试验疲劳荷载的1.5倍～2倍，且每次施加特殊疲劳荷载时的加载次数不应超过100次。选择合理的疲劳试验荷载以控制每个试件的试验时间，一方面使裂纹扩展速率不至于过快而导致操作人员无法及时作出操作反应，同时也要使裂纹扩展速率不至于过慢而增大试验时间，导致操作人员疲惫且增加试验费用。

在钢丝断裂面上形成疲劳条纹的方法，通过施加一组应力幅不同于正常试验荷载的疲劳荷载改变断裂面上的微观结构，从而形成疲劳条纹。

附图说明

图1高强钢丝试件规格。

图2高强钢丝试件预制缺陷规格。

图3高强钢丝试件安装示意图。

图4高强钢丝试件断裂面示意图。

图5Paris公式相关参数计算示意图。

1冷拔钢丝试件；2夹具；3疲劳试验机。

具体实施方式

本发明为一种利用疲劳荷载在钢丝断裂面上形成的纹路检测疲劳裂纹扩展速率的方法。冷拔高强钢丝是通过对热轧钢棒进行多次冷拔处理得到的直径5mm或7mm钢丝。由于冷拔过程中，钢材中的珠光体随冷拔次数增多而逐渐偏斜，最终成品高强钢丝为晶体排列不同于原始热轧钢棒材料的正交异性体材料。由于钢丝直径小，外表面为曲面，难以采用传统方法测量裂纹扩展长度。本发明通过施加特殊疲劳荷载在钢丝裂纹断裂面上形成若干条带状纹路，用于辅助裂纹长度的测量。下面结合附图对本检测方法的具体实施方式作进一步的阐述：

（1）高强钢丝试件预处理

选择平直无弯曲的冷拔高强钢丝作为试验材料。将高强钢丝垂直切割为如图1所示的250～300mm长的节段，每个节段作为一根钢丝试件。在钢丝试件正中间垂直钢丝轴线采用线切割形成1.00±0.10mm深的预制缺陷，所有试件的预制缺陷宽度应相同且不超过0.15mm(参见图2)。

（2）确定试验荷载

按照图3示意将高强钢丝试件安装在疲劳试验机上，采用应力比R=0.1，应力峰值σ_max=500MPa的疲劳荷载对钢丝两端施加等幅轴拉荷载，记录试件的疲劳寿命。如果试件的疲劳寿命小于200000次则保持应力比R不变，降低σ_max。如果试件的疲劳寿命高于500000次则保持应力比R不变，增大σ_max。不断调整直到连续三根试件在同样的σ_max作用下，疲劳寿命均介于200000～500000次之间。此时的疲劳荷载称为试验荷载。

（3）制备检测试件的预裂纹

采用步骤（2）所确定的试验荷载对步骤（1）所制的钢丝试件进行加载。在加载10万次后暂停，观察试件的预制缺陷两侧是否形成了疲劳预裂纹。如未发现疲劳裂纹，则可继续对试件进行疲劳加载，每加载20000次后暂停试验通过目视检查是否出现预裂纹。为了便于观测，可在试件表面涂抹肥皂水，如果肥皂水冒泡则可判断预裂纹出现。

（4）进行裂纹扩展试验

采用步骤（2）所确定的试验荷载对步骤（3）制得的预裂纹试件进行疲劳试验。每加载5000次后暂停试验，采用应力比不变，应力幅为2σ_max的疲劳荷载对试件进行疲劳试验，加载100次后暂停试验，将疲劳荷载恢复为试验荷载。按以上步骤反复加载，直到检测试件彻底断裂。

（5）测量疲劳条纹

采用扫描电镜方法测量冷拔高强钢丝试件断面上各条疲劳条纹的宽度Δa(参见图4)，则在形成疲劳条纹时的平均裂纹扩展速率为：

da/dN=Δa/100   (1)式中：da/dN为裂纹扩展速率。

按图4所示测量疲劳条纹的平均裂纹长度a(参见图4)。按公式(2)计算应力强度因子幅ΔK:

$\mathrm{\ΔK}={1.8\mathrm{\σ}}_{\max }\sqrt{\mathrm{\πa}}Y\left(\frac{a}{D}\right)---\left(2\right)$

上式中的Y(a/D)可采用有限元法按实际裂纹形状建模计算或按下式简化计算。其中的D为钢丝试件的直径(参见图1、图2、图4)，为5mm或7mm。

$Y\left(\frac{a}{D}\right)=0.7282-2.1425\left(\frac{a}{D}\right)+18.082{\left(\frac{a}{D}\right)}^2-49.385{\left(\frac{a}{D}\right)}^3+66.114{\left(\frac{a}{D}\right)}^4---\left(3\right)$

（6）计算Paris公式的材料参数

由钢丝断裂面上的每个疲劳条纹可以得到一对(da/dN，ΔK)数据。通过对多个试件进行疲劳试验和数据测量，可得到一系列的(da/dN，ΔK)数据。将所有数据绘制在da/dN-ΔK双对数坐标图上，并采用最小二乘法对数据点进行曲线拟合，可得到Paris公式的相关计算参数，如图5所示。

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}={\mathrm{C\ΔK}}^m---\left(4\right)$

式中：C、m为与材料有关的参数，可通过对测量数据最小二乘法处理得到。

(7)根据Paris公式计算在冷拔高强钢丝对应任意给定的裂纹长度a和疲劳应力幅Δσ的裂纹扩展速率

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C{\left(\mathrm{\Δ\σ}\sqrt{\mathrm{\πa}}Y\left(\frac{a}{D}\right)\right)}^m---\left(5\right)$

式中：Δσ=(1-R)σ_max。

Claims (2)

1.一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法，其特征在于，在对预裂纹的冷拔高强钢丝试件实施疲劳加载，直至钢丝断丝，再通过对断面上疲劳荷载形成的条纹进行测量，通过在双对数图上绘制裂纹扩展速率-应力强度因子幅曲线，采用最小二乘法计算曲线拟合，得到冷拔高强钢丝的Paris公式

K^m曲线拟合参数C和m，根据Paris公式计算冷拔高强钢丝在任意给定的裂纹长度a和应力幅Δσ条件下的裂纹扩展速率。

2.如权利要求1所述的一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法，其特征在于，具体包括步骤为：

（1）高强钢丝试件预处理

选择平直无弯曲的冷拔高强钢丝作为试验材料，将高强钢丝垂直切割为250～300mm长的节段，每个节段作为一根钢丝试件，在钢丝试件正中间垂直钢丝轴线采用线切割形成1.00±0.10mm深的预制缺陷，所有试件的预制缺陷宽度应相同且不超过0.15mm；

（2）确定试验荷载

将高强钢丝试件安装在疲劳试验机上，采用应力比R=0.1，应力峰值σ_max=500MPa的疲劳荷载对钢丝两端施加等幅轴拉荷载，记录试件的疲劳寿命,不断调整直到连续三根试件在同样的σ_max作用下，疲劳寿命均介于200000～500000次之间,此时的疲劳荷载称为试验荷载；

（3）制备检测试件的预裂纹

采用步骤（2）所确定的试验荷载对步骤（1）所制的钢丝试件进行疲劳加载，在试件表面涂抹肥皂水，以肥皂水冒泡作为预裂纹出现的判据；

（4）进行裂纹扩展试验

采用步骤（2）所确定的试验荷载对步骤（3）制得的预裂纹试件进行疲劳试验，采用应力比不变，应力幅为2σ_max的疲劳荷载对试件进行疲劳试验，疲劳荷载、试验荷载两者反复交替加载，直到检测试件彻底断裂；

（5）测量疲劳条纹

采用扫描电镜方法测量冷拔高强钢丝试件断面上各条疲劳条纹的宽度Δa，则在形成疲劳条纹时的平均裂纹扩展速率为：

da/dN=Δa/100   (1)式中：da/dN为裂纹扩展速率，

测量疲劳条纹的平均裂纹长度a，按公式(2)计算应力强度因子幅ΔK:

$\mathrm{\ΔK}={1.8\mathrm{\σ}}_{\max }\sqrt{\mathrm{\πa}}Y\left(\frac{a}{D}\right)---\left(2\right)$

上式中的Y(a/D)采用有限元法按实际裂纹形状建模计算或按下式简化计算，其中的D为钢丝试件的直径，

$Y\left(\frac{a}{D}\right)=0.7282-2.1425\left(\frac{a}{D}\right)+18.082{\left(\frac{a}{D}\right)}^2-49.385{\left(\frac{a}{D}\right)}^3+66.114{\left(\frac{a}{D}\right)}^4---\left(3\right)$

（6）计算Paris公式的材料参数

由钢丝断裂面上的每个疲劳条纹得到一对(da/dN，ΔK)数据，通过对多个试件进行疲劳试验和数据测量，得到一系列的(da/dN，ΔK)数据，将所有数据绘制在da/dN-ΔK双对数坐标图上，并采用最小二乘法对数据点进行曲线拟合，得到Paris公式的相关计算参数，

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}={\mathrm{C\ΔK}}^m---\left(4\right)$

式中：C、m为与材料有关的参数，可通过对测量数据最小二乘法处理得到；

(7)根据Paris公式计算在冷拔高强钢丝对应任意给定的裂纹长度a和疲劳应力幅Δσ的裂纹扩展速率

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C{\left(\mathrm{\Δ\σ}\sqrt{\mathrm{\πa}}Y\left(\frac{a}{D}\right)\right)}^{}---\left(5\right)$ 式中：Δσ=(1-R)σ_max。

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