基于焊趾细节的微裂纹和短裂纹疲劳行为研究

Fatigue cracks in welded joints usually initiate at weld toes. The evolution process of micro cracks and short cracks, and their activities mechanism lack clear and in-depth descriptions, which has significant influences on the total fatigue life of welded joints. In this investigation, fatigue experiments, cracks replica technique, microscopic observation will be utilized to reveal the whole evolution of cracks along weld toes in both longitudinal direction and plate-thickness direction profoundly. Two detail connotations, "micro structural features of materials" and "geometry profile of weld toes" are considered. Based on Tanaka-Mura model, cracks simulation method of discrete grain size is studied. The influences of grain features and inclusion features on cracks initiation mechanism are revealed. Based on Coffin-Manson model, cracks simulation method of continuous microscopic body size is studied. The behaviors concerning short cracks propagating at single or multiple weld toe waves are revealed. The qualitative and quantitative descriptions of cracks initiation process in welded joints are proposed, and fatigue crack growth models along both longitudinal direction and plate-thickness direction for weld toes are established, which provides theoretical supports for the fatigue design of welded structures and their life prediction. The achievements of this project can deepen our knowledge and understanding of the phenomenon and essence for fatigue cracks in welded structures, better current fatigue theoretical system for welded structures and have important theoretical significance and application value.

焊接接头的疲劳裂纹通常萌生于焊趾，波纹形焊趾局部的微裂纹和短裂纹演化过程及其机理却缺乏清晰、深入的描述，而这一阶段的疲劳行为对焊接接头整体寿命却具有非常重要的影响。本研究综合采用疲劳试验、裂纹复型、微观观察等技术手段，深刻揭示焊趾裂纹沿长度和板厚方向的完整演化过程。考虑“材料微观结构特征”和“焊趾几何形貌”2层细节内涵，基于Tanaka-Mura模型研究离散晶粒尺度的裂纹模拟方法，揭示晶粒特征和夹杂特征对裂纹萌生机制的影响规律；基于Coffin-Manson模型研究连续微观体尺度的裂纹模拟方法，揭示焊趾短裂纹在单个波纹和多个波纹上的扩展行为。提出焊接接头裂纹萌生过程的定性和定量描述，建立不同尺度的焊趾裂纹沿长度和板厚方向的扩展模型，为焊接结构疲劳设计和寿命预测提供理论支撑。项目成果可以深化焊接结构疲劳裂纹本质现象的认识和理解，完善焊接结构的疲劳理论体系，具有重要的理论意义和应用价值。

焊接接头的疲劳裂纹通常萌生于焊趾，不规则焊趾形貌对焊趾局部微观短裂纹（MSC）和物理短裂纹（PSC）的形成与扩展具有关键作用。本研究针对常见的工程焊接结构，考虑焊趾局部的几何形貌和材料微观结构，研究了MSC的成核机制、PSC的形成和扩展行为以及焊趾多裂纹的完整演化过程。主要包括：.（1）采用超景深数字显微技术测取了焊趾形貌的具体几何细节，开展疲劳试验获得了具有明显海滩条带的疲劳断口，基于FBG传感技术获得了焊趾局部特征点的应变时间历程，结合断口反演技术和应变信号处理方法揭示了焊趾多裂纹萌生的力学机制及其不同步特性。.（2）结合Manson-Coffin低周疲劳模型和断裂力学模型，提出了一种虑及裂纹萌生和裂纹扩展两阶段的疲劳裂纹全演变过程的仿真方法，针对十字焊接接头的仿真研究，揭示了焊趾形貌与焊趾多裂纹萌生及其不同步演化特性的内在联系，针对波纹腹板梁的仿真研究，揭示了焊趾短裂纹的早期偏转现象及其力学原因。.（3）基于晶体塑性理论，提出了一种疲劳指标参量以及基于有限元方法的实现策略，针对焊趾局部的材料微观结构，模拟了晶粒尺度下MSC成核及其扩展过程，揭示了焊趾MSC的发生机制及其早期行为，进一步研究了晶粒微观结构特征对焊趾裂纹早期行为的影响规律。.（4）针对PSC阶段，研究了初始裂纹形状比、多裂纹位置、多裂纹数量等因素对裂纹演变模式、扩展速率以及疲劳寿命的影响规律，提出了焊接结构焊趾裂纹早期行为的若干定性和定量描述，为焊接结构疲劳设计和寿命预测提供了理论支撑。.项目成果揭示了焊趾形貌与焊接接头疲劳行为之间的深刻联系，提出了虑及焊趾形貌影响和材料微观特征影响的焊趾裂纹演化过程的仿真方法及其实现策略，深化了焊接结构疲劳裂纹本质现象的认识和理解，有助于改进焊接结构的疲劳寿命预测方法，提升工程焊接结构的疲劳性能可靠性。