文 |许晨渊的书房
编辑 | 许晨渊的书房
介绍高频机械冲击(HFMI)处理的强度增加和疲劳寿命延长是基于焊趾几何形状的改善、局部表面硬化和压缩残余应力的诱导。通过HFMI处理提高焊缝疲劳寿命的潜力已经在许多研究中为不同钢种的各种焊接细节所证实。
尽管通过HFMI处理增加了疲劳强度，但是与CAL相比，改善的程度明显较低。疲劳试验在应力比R = 0.1和R = -1时，采用直线分布，合并S355和S700的LS。
当比较这些研究时，无法提供VAL下HFMI处理焊缝疲劳行为的总体结论性陈述。而相对于焊接(AW)状态的疲劳强度增加因VAL而降低，证明了这种治疗方法的巨大潜力。
很明显，VAL下疲劳强度的提高主要受焊接细节的缺口效应、HFMI处理的质量、钢种和使用载荷特性(如频谱形状、应力比和峰值应力)的影响。因此，VAL治疗HFMI的有效性仍然备受争议也就不足为奇了。
损伤累积计算也会出现偏差。基于对不同钢种(S355、S690、S960)TS的疲劳试验评估，应力比R=0.1，实际损伤总和为D真实的= 0.5，适用于高强度钢至D真实的= 1，考虑到实验得出的SN曲线。
当超过局部屈服强度时，初始残余应力可能会降低。因此，假定这种处理方法的最初益处随着压缩残余应力的松弛而减少或完全消失。由于这个原因，脂肪类的增加，与施加的应力比有关，工作载荷的容许峰值应力受材料屈服强度的限制。
然而，由于HFMI处理，应变硬化表面层的有益效果不一定受到影响。关于TS在研究中可以表明，即使在VAL的高峰值应力下，与焊接状态相比，疲劳寿命仍因HFMI而增加。
在HFMI处理的试样上，甚至没有观察到高-低-低-高有序块体加载之间的加载顺序对使用寿命的显著影响。假设疲劳行为主要受初始残余应力的影响，可以得出以下结论。当经受VAL时，残余应力是稳定的。
因此，当承受工作载荷时，残余应力何时以及如何减小是令人感兴趣的。此外，不考虑初始残余应力，质疑哪种益处可以延长疲劳寿命是合适的。这项研究的重点是VAL对初始剩余状态的影响。在横向附件上进行恒定和可变振幅加载的单轴疲劳试验
实验工作通过在ts上进行恒定和可变振幅加载的单轴疲劳试验，研究了工作载荷对HFMI处理接头残余应力稳定性的影响。VAL试验采用不同的载荷序列进行，即P(1/3)和线性形状谱的随机(R)、高低(HL)和高低(LH)。
不同的载荷顺序应该提供关于VAL期间残余应力何时以及如何松弛的信息，以及松弛行为如何影响相应的疲劳行为。设置应力比R = -1是为了减少平均应力波动对试验结果和损伤累积的影响。
由于CAL下的大量试验结果和相对较高的缺口效应，选择横向附件作为待研究的焊缝细节。从而应避免因倒圆而破裂。接头由低碳钢(S355J2+N)和高强度钢(S700M)制成。
为了评估不同加载条件下的残余应力稳定性，并确定使用加载和加载顺序对HFMI处理边界层条件的影响，通过X射线衍射测量记录表面残余应力分布。
残余应力稳定性研究
测量不同样品的残余应力，以确定材料和处理工艺的影响。测量是在从焊趾到基材的试样中心进行的。由于对称性，预计两侧的残余应力分布没有显著差异。
每个测量序列的第一个点直接位于AW状态下的焊趾和HFMI处理试样处理区的中间。两个连续点之间的增量随着到焊趾的距离从0.5增加到5 mm而增大。
为了评估残余应力稳定性，我又进行了许多不同的测量。研究分为准静态和循环加载后的测量。只对HFMI处理状态的试样测量了残余应力随不同载荷的变化。
准静态加载后的残余应力稳定性通过逐步增加约20%屈服强度的载荷并记录每个载荷步骤后的残余应力曲线来分析。气举残余应力稳定性的研究分为三类。除了随机载荷之外，两种谱形的集合还按下降(HL)和上升(LH)的顺序进行了测试。
对每个光谱(P1/3和线性)和每个材料(S355J2+N和S700M)进行测试。每个形状的光谱长度设定为大约200，000个循环。在用随机VAL进行疲劳试验的过程中，残余应力是在完全通过的频谱结束时测量的。
对于分类(HL，LH) VAL测试，在四个点进行测量，以检查单个应力水平对残余应力分布的影响。为此，分类VAL测试被中断几次，以重复测量残余应力分布。
在通过相当于最大光谱振幅的95%、80%和60%的所有振幅后进行中断。数字5显示了排序的VAL序列中测试因测量而中断的点(M1-4)。
循环等幅加载
由于应力比R = 1时的CAL，在不同载荷循环后焊趾附近的残余应力分布。11000和100000次载荷循环后的残余应力曲线。选择测量的循环次数以研究残余应力随循环次数增加的变化，即使是相对较低的压力水平。
应力振幅被设置为189兆帕(S355)和250兆帕(S700M)。由S355制成的试样和S700M制成的试样都没有显示出由于CAL引起的残余应力状态的显著变化。根据从准静态加载获得的结果，由CAL引起的残余应力的变化似乎是可预测的。
由于相对于材料屈服强度的低应力幅度，没有观察到残余应力的松弛。随着循环次数的增加，CAL的持续时间和频率对残余应力分布没有明显的影响。
由于相对于材料屈服强度，P(1/3)内的最大应力幅度较低，因此不同的载荷顺序不会导致残余应力分布发生显著变化。而σ最大等于S700M屈服强度的80%。
因此，最大残余压应力发生变化和减小。与S355制成的试样上的残余应力测量一样，在第一次全谱通过后，S700M钢制成的HFMI处理横向加劲肋上没有进一步的相关残余应力变化。
随着第一个完整频谱的通过，残余应力松弛发生在与阻塞频谱相当的高度。在第一次全谱通过后(M1N = 200，000次循环)载荷方向上的残余应力似乎几乎是稳定的。与P(1/3)相比，线性成形谱的更高的最大振幅对残余应力松弛具有显著更强的影响。
讨论在不同载荷条件下，HFMI处理的横向加强筋的表面残余应力分布的评估显示了对残余应力状态的影响。两种处理装置都产生均匀的塑性变形。在焊趾处，残余压应力存在于加载方向，随着与焊趾距离的增加，残余压应力与基材的应力水平相适应。
随着屈服强度的增加，获得了更高的残余应力。对于由S355制成的样品，这些残余应力在150和250 MPa之间变化，对于由S700M制成的样品，它们在200和450 MPa之间变化。
对于这两种材料，横向残余应力出现了特征性的半W形。最大残余压应力出现在HFMI处理区的边缘或附近。特征残余应力分布的外观和形状可能因基底材料的处理和制备而不同。
所使用的方法，如喷砂和火焰矫正，对基材上的应力分布有决定性的影响。喷砂用于从基材表面去除腐蚀和其他杂质。HFMI处理区以及焊趾前5 mm的区域被忽略。
由于高度变形，S700M材料的钢板必须在生产和焊接横向加强件之前进行火焰矫直。在某些情况下，拉伸残余应力高达400兆帕。这些残余拉应力位于距焊趾10至15毫米处。尚未观察到这些拉伸应力对疲劳行为的影响。
研究表明，在准静态载荷下，诱导的压缩残余应力几乎保持不变，直到应力水平约为基材屈服强度的80%。当经受等幅加载时，由S355和S700M制成的试样没有显示出显著的残余应力松弛。
这可能是由于应用了低振幅。甚至250 MPa (S355N)和300 MPa (S700M)的更高应力振幅(相当于基材屈服强度的65%和40%)也只会导致残余应力的轻微变化，突出了两种不同谱形对残余应力稳定性的顺序效应。
在第一次通过整个光谱长度时，效果变得明显。随着应力水平的增加，残余应力在低-高序列中依次松弛，当应用高-低序列时，在大于最大振幅的95%的所有振幅通过之后，初始残余应力已经减小。
随后，在进一步的光谱扫描中没有观察到进一步的残余应力松弛，加载顺序似乎对下面的残余应力曲线没有进一步的影响。
通常，HFMI处理的强度增加和寿命延长效果主要归因于诱发的残余压应力。因此，除了疲劳试验之外，还监测了松弛行为，即工作载荷下的残余应力稳定性，以评估疲劳强度的提高和局部材料条件的改变之间的相互作用。
结果表明，残余应力可能会受到VAL的影响。对残余应力松弛影响最大的是载荷谱中最大施加应力的大小。
如上所述，研究的结果表明，VAL下观察到的HFMI的改善因子比CAL下的低得多。由此可以得出结论，在VAL条件下，HFMI处理改善疲劳的潜力必须根据部件的潜在局部缺口强度进行评估。
然而，无论残余应力松弛水平如何，两种钢种的HFMI处理样品都显示出疲劳强度的显著增加建议对不同焊缝细节、不同钢种以及不同平均应力进行进一步的实验研究。需要注意的是，对HFMI处理潜力的评估并不仅仅基于残余应力的稳定性。仅仅依靠诱发的残余应力可能会导致低估这些焊后处理方法的潜力。
