超应变对CT试样疲劳强度的影响研究

　　高压容器和超高压容器在众多领域中都有着广泛的应用，他们在服役期间往往承载着交变载荷的作用，据估计，这类设备在使用的过程中的破坏有75%以上是由疲劳所致[3]，所以他们的疲劳强度和疲劳寿命越来越引起大家的重视，提高这类设备的疲劳寿命往往具有很高的经济效益。影响疲劳强度和疲劳寿命的最主要因素是应力幅，而平均应力也是其主要因素之一。目前，提高这类设备疲劳寿命的最有效的方法就是采用自增强处理，又叫自紧或超应变处理。自增强处理的实质是使设备在服役前对设备施加一比设备工作压力大得多的内压力，使设备产生弹塑性变形，卸载后便会使设备形成有利的残余应力分布，降低了设备危险点的相当平均应力，从而降低设备的相当应力幅，以达到提高设备的疲劳寿命的目的。文中以材质为 43CrNi2MoVA 钢的标准 CT 试样进行了弹塑性的有限元分析，得出缺口根部的残余应力随超载水平的变化关系和最大的残余应力，进而进行了试样的裂纹萌生寿命的计算，得出了试样疲劳裂纹萌生寿命的数值解。

　　1 自增强残余应力的弹塑性分析

　　试样的尺寸如图所 1 所示，厚度为 5.5mm。从图中可以看出，在力 F 的作用下，缺口根部 1 点处有应力集中，在超应变处理时，这一点的残余应力也必然形成应力集中。在交变载荷的作用下，裂纹首先在这里萌生，所以 1 点是试样的危险点。本文利用 ANSYS 通用有限元计算软件根据材料的实际本构关系用弹塑性有限元法计算试样在超应变处理时的残余应力，43CrNi2MoVA 钢的本构关系在 MTS试验系统上测得，见图 2[2]。可以看到该材料有明显的应变硬化和显著的包辛格效应。其 ós=974 MPa，ób=1050 MPa， =52.3%， 5=16.5%，E=204 GPa，μ=0.28。

　　用弹塑性有限元法对标准试样进行分析，加载过程取材料的本构关系为双线性随动强化模型，由于结构的对称性取其一半进行计算分析，采用平面8 节点单元，平面应力带厚度模型，自由网格划分，在缺口根部处加密，共有单元 775 个，节点 2497 个。有限元网格如图 3 所示。边界条件的处理是：在对称轴 1—2 线上完全约束 y 方向的位移，并在 2点施加一 x 方向的约束。由有限元的计算结果绘制的缺口根部 1 点的载荷—残余应力(y 方向)曲线如图 4 所示，从图 4 中可以看出载荷为 22 kN 时残余应力有极值为-951 MPa。载荷为 22 kN 时对称轴1—2 线上的残余应力分布如图 5 所示。

　　2 自增强对疲劳强度的影响评估

　　2.1 43CrNi2MoVA 钢的 S—N 曲线

　　材料的S—N 曲线是疲劳寿命评估的基本依据，由应力比R=0.1的拉伸试件在MTS系统上进行疲劳实验测得 43CrNi2MoVA 钢 S—N 拟合曲线为