低应力-大气弱腐蚀环境耦合作用下焊接结构超长寿命疲劳失效机理及寿命预测

With the development of modern industry, the design life of many welded structures has entered the super-long-life region. Besides, for many super-long-life engineering structures, such as cross-sea bridges, high-speed bogies, etc., the influence of light/weak atmospheric corrosion on fatigue performance cannot be ignored. Therefore, in order to ensure the fatigue reliability of the welded structures with super-long life in atmospheric corrosive environment, a systematic study of the degradation mechanism of the very high cycle fatigue performance of welded joints under the condition of atmospheric corrosive environment, the evolution characteristics of S-N curves, and the influence of the key factors such as scale, frequency and stress concentration is carried out. This project will be completed by high frequency, ultra-high frequency and ultrasonic fatigue test system. On the basis of the test and analysis, the fatigue life prediction model of typical welded joints in very high cycle fatigue regime under light/weak atmospheric corrosive environment is established, which will be compared with the nominal design curve of fatigue design specification for metal material welding structure specified by IIW. Finally, a more scientific suggestion for the modification of the very high cycle fatigue design curve of the welded joint is proposed, which is supported by the data of sufficient fatigue test.

随着现代工业的发展，很多焊接结构的设计寿命已进入超长寿命区间，且对于很多超长时间服役的工程结构，如跨海大桥、高铁转向架等，大气轻/弱腐蚀环境对疲劳性能的影响不容忽视。因此，为了保证在大气环境条件下超长寿命服役的焊接结构的疲劳可靠性，本项目利用高频、超高频、超声频疲劳试验系统，综合考虑试验环境腐蚀性强弱、试验加载频率与试件表面应力集中状况和试样尺寸等关键影响因素，系统研究并揭示大气轻/弱腐蚀环境条件下焊接接头在超长寿命区间的疲劳性能退化机理、S-N曲线演变特征及其尺度/频率/表面应力状态等关键因素的影响规律，在此基础上建立大气轻弱腐蚀环境条件下典型焊接接头的超长寿命区间疲劳寿命预测模型，并与IIW金属材料焊接结构疲劳设计规范的超高周阶段标称设计曲线进行比较分析，最终提出更科学的、有着大量足尺寸疲劳试验数据支撑的典型焊接接头超高周疲劳设计曲线的修正建议及可靠的理论与实验依据。

诸多焊接结构在服役期间所承受的载荷循环已达到107周次以上，甚至超过109，对于超长服役时间的工程结构和装备来说，大气弱/轻腐蚀环境对其疲劳寿命的影响不容忽视。探究焊接接头在腐蚀环境中的疲劳行为及适用的疲劳延寿技术对保障结构的安全服役和提高处于腐蚀环境中的焊接结构的疲劳性能具有重大意义。.焊接接头在干燥空气和潮湿水雾环境中的疲劳性能研究结果表明，对于含高值焊接残余应力的足尺寸焊接接头，在干燥空气中IIW和BS7608推荐的设计曲线是保守的，而在水雾环境中，标准设计曲线是危险的；对于含低值焊接残余应力焊接接头，标准设计曲线是安全的。对于足尺寸焊接接头，焊后热处理、高频机械冲击和焊后热处理 + 高频机械冲击复合处理使得焊接接头在水雾环境中的疲劳强度分别提高60%、90%和160%以上。疲劳损伤与氢的耦合作用是造成腐蚀环境中接头疲劳寿命降低的重要因素之一，同时，疲劳损伤会进一步提高接头的氢含量，进而加剧焊接接头的氢脆敏感性。通过数值分析研究了影响焊接接头氢分布的关键因素，氢-应力的互相作用导致接头氢分布的不均匀性，焊接残余拉应力的存在使得焊趾和母材近表层区域的氢浓度进一步提高。.在此研究基础上分析现有疲劳设计规范对于超长寿命服役的焊接结构在大气腐蚀环境条件工作的适用性，对大气环境下服役焊接结构的超高周疲劳设计规范的建立具有重要科学指导意义。