復(fù)合鋼板因其優(yōu)良的防腐、耐磨性能，被應(yīng)用于船舶、壓力容器等裝備的重要部位。在低溫環(huán)境下，金屬材料的脆性會(huì)增大，一旦產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展速率將加快，這使得復(fù)合鋼板發(fā)生脆性斷裂的可能性進(jìn)一步提高。因此，必須針對(duì)復(fù)合鋼板在服役過(guò)程中的受載情況開(kāi)展試驗(yàn)，研究其在不同加載方式下裂紋的起裂行為。
眾多學(xué)者已針對(duì)金屬?gòu)?fù)合板在不同載荷作用下的裂紋起裂行為開(kāi)展研究。李小兵等利用拉伸試驗(yàn)研究了鋼/鋁復(fù)合板的變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)裂紋最先在界面處萌生；張亞軍等利用循環(huán)拉壓疲勞試驗(yàn)，對(duì)321+Q370q不銹鋼爆炸復(fù)合鋼板的起裂行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)裂紋絕大部分萌生在基層Q370q鋼處，小部分萌生在復(fù)合層321鋼處；柴希陽(yáng)等利用軸向循環(huán)拉壓疲勞試驗(yàn)，對(duì)比研究了鋁-鋁-鋼與鋁-鈦-鋼復(fù)合板的裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)裂紋起裂位置主要與接頭組成材料的強(qiáng)度有關(guān)。
目前研究主要針對(duì)金屬?gòu)?fù)合板在室溫下的起裂行為，而對(duì)復(fù)合鋼板在低溫環(huán)境下服役時(shí)的起裂行為研究較少。復(fù)合鋼板在極地船舶冰帶部位服役時(shí)，不可避免地會(huì)承受冰層的撞擊與擠壓。根據(jù)其服役過(guò)程中的受力特點(diǎn)，可將受力狀態(tài)簡(jiǎn)化為承受離面載荷和面內(nèi)載荷兩類(lèi)：在離面載荷受力狀態(tài)下，載荷方向垂直于復(fù)合界面，載荷形式可簡(jiǎn)化為面內(nèi)軸向拉壓疲勞載荷及正向彎曲疲勞載荷；在面內(nèi)載荷受力狀態(tài)下載荷方向平行于復(fù)合界面，載荷形式可簡(jiǎn)化為側(cè)向彎曲疲勞載荷。為明確復(fù)合鋼板在低溫環(huán)境下的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，研究人員進(jìn)行了室溫（25℃）及-60℃條件下的軸向拉壓疲勞試驗(yàn)、正向三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)、側(cè)向三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，研究了復(fù)合鋼板在不同加載方式下的起裂行為，進(jìn)而明確其在服役條件下的起裂位置。
01｜試驗(yàn)材料與方法
01試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為FH40+317L不銹鋼復(fù)合板，基層材料為FH40 低溫鋼，厚度為48 mm，在控軋控冷（TMCP）工藝下生產(chǎn)。復(fù)合層材料為317L不銹鋼，厚度為8mm。按照GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法( 常規(guī)方法)》和GB/T 20125—2006《低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀及碳硫分析儀，分別取基層和復(fù)合層心部位置屑樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。復(fù)合鋼板的力學(xué)性能如表2所示。按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)復(fù)合鋼板進(jìn)行金相檢驗(yàn)，取樣部位為心部，其顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知：復(fù)合層組織為奧氏體，晶粒較大，同時(shí)在奧氏體基體上還分布有條帶狀的鐵素體，鐵素體部分呈小塊狀；基層組織主要由針狀鐵素體和貝氏體組成，其晶粒較細(xì)。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，試驗(yàn)用復(fù)合鋼板質(zhì)量符合要求。為了消除因鋼板生產(chǎn)工藝而產(chǎn)生的材料成分、性能方面的差異，試樣均取自同一塊復(fù)合鋼板。
02試驗(yàn)方法
采用載荷為250kN的疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)均采用應(yīng)力控制方式，軸向拉壓疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比為-1，根據(jù)試樣加載形式選擇合適的試驗(yàn)頻率，保證試驗(yàn)過(guò)程中試樣不發(fā)熱。三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比為0.1，試驗(yàn)機(jī)利用力傳感器控制液壓缸體流量以實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載。部分疲勞試驗(yàn)的1號(hào)試樣載荷在試驗(yàn)過(guò)程中呈梯度變化，目的是加快疲勞裂紋的萌生過(guò)程，若在某一應(yīng)力狀態(tài)下循環(huán)一定次數(shù)后未發(fā)現(xiàn)裂紋，則增大應(yīng)力繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。-60℃下的疲勞試驗(yàn)在低溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，利用液氮噴淋保持試驗(yàn)過(guò)程溫度恒定。
軸向循環(huán)拉壓疲勞試樣分為板狀疲勞試樣及棒狀疲勞試樣，取樣時(shí)需保證復(fù)合鋼板界面位于試樣中心處，使得試樣基層材料與復(fù)合層材料各占一半，且試樣長(zhǎng)度方向平行于爆轟方向，取樣方式及試樣尺寸如圖2所示。
正向三點(diǎn)彎曲和側(cè)向三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)所用試樣尺寸相同，但加載方式不同，前者垂直界面加載，后者平行界面加載。試樣長(zhǎng)度平行于復(fù)合鋼板爆轟方向，復(fù)合層厚度分別為4，8mm，試樣尺寸如圖3所示。
02｜試驗(yàn)結(jié)果
1疲勞試驗(yàn)
3種加載方式下室溫及低溫疲勞試驗(yàn)結(jié)果分別如表3~4所示。
2軸向循環(huán)拉壓試驗(yàn)
板狀循環(huán)拉壓試樣（CL-1）斷口的掃描電鏡（SEM）形貌如圖4所示。由圖4可知：疲勞裂紋均萌生于試樣基層邊緣處，隨后呈放射狀向內(nèi)部擴(kuò)展。經(jīng)能譜分析后發(fā)現(xiàn)CL-1試樣裂紋起始于氧化鋁夾雜物處，而CL-2試樣裂紋源處未發(fā)現(xiàn)氣孔或夾雜物。為排除板狀試樣邊緣應(yīng)力集中對(duì)裂紋萌生位置的影響，又進(jìn)行了棒狀疲勞試驗(yàn)。
室溫下的棒狀疲勞試樣斷口形貌表明，裂紋源位于遠(yuǎn)離界面的位置，處于試樣的下表面基層邊緣，原因是FH40鋼強(qiáng)度較低。室溫下CL-3試樣與CL-4試樣斷口SEM 形貌分別如圖5，6所示。由圖5，6可知：由于爆炸復(fù)合鋼板界面處強(qiáng)度和硬度較高，且呈現(xiàn)曲折的狀態(tài)，所以裂紋擴(kuò)展經(jīng)過(guò)界面時(shí)會(huì)留下清晰可見(jiàn)的痕跡；疲勞裂紋起源于次表面，源頭位置未觀(guān)察到氣孔或夾雜物；試樣上表面未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞裂紋源，斷口主要為等軸狀韌窩形貌，證明復(fù)合層所在區(qū)域處于疲勞斷裂的瞬斷區(qū)，等軸狀韌窩形貌的形成主要與疲勞載荷的加載方向有關(guān)，在軸向的循環(huán)加載過(guò)程中，由于不存在剪切力，因此韌窩形狀比較規(guī)則。
-60℃下DL-1試樣斷口SEM形貌如圖7所示。由圖7可知：與室溫條件下相比，試樣斷口表面更光滑，沒(méi)有觀(guān)察到明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑，難以直接判斷裂紋源的位置；對(duì)局部區(qū)域放大觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)具有明顯磨損痕跡的疲勞輝紋。在疲勞斷口中，裂紋擴(kuò)展方向通常與疲勞輝紋的方向相互垂直，因此推斷裂紋起源于試樣下表面的基層FH40鋼處。
在低溫情況下，F(xiàn)H40鋼與317L鋼的強(qiáng)度、韌性等綜合性能均獲得不同程度的強(qiáng)化，試樣承受疲勞加載的循環(huán)周次更多，而317L鋼的性能提升幅度更高。基層一側(cè)裂紋開(kāi)始萌生，由于復(fù)合層一側(cè)強(qiáng)度保持在較高水平，裂紋擴(kuò)展至復(fù)合層一側(cè)附近時(shí), 擴(kuò)展過(guò)程發(fā)生阻滯，使得裂紋面長(zhǎng)時(shí)間承受循環(huán)拉壓載荷，導(dǎo)致已有的裂紋擴(kuò)展路徑被磨損殆盡，僅在部分區(qū)域保存有微觀(guān)的輝紋特征。
從以上結(jié)果可以看出，不論是在室溫還是在低溫條件下，軸向拉壓載荷下裂紋萌生位置均不在復(fù)合界面處，表明復(fù)合鋼板界面結(jié)合強(qiáng)度較高，在該載荷形式下界面并不是最薄弱的位置。
3側(cè)向三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)
CC-1 試樣裂紋處宏觀(guān)形貌如圖8 所示。由圖8可知：裂紋首先從界面處萌生，隨后呈一定角度向基層和復(fù)合層同時(shí)擴(kuò)展。裂紋萌生位置同樣包括基層鋼板，其原因可能為試樣邊緣處存在較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋也在基層鋼板處萌生。CC-1試樣斷口SEM形貌如圖9所示。由圖9可知：疲勞裂紋在界面處萌生后，呈扇形分別向基層和復(fù)合層擴(kuò)展，裂紋萌生于界面層次表面附近的氣孔處，且氣孔尺寸較大，約為150μm。
CC-2 試樣爆炸復(fù)合板界面微觀(guān)形貌如圖10所示。由圖10可知：CC-2試樣同樣在氣孔缺陷處萌生裂紋，爆炸復(fù)合板的界面層處除氣孔缺陷之外，還可觀(guān)察到金屬顆粒夾雜物等。在爆炸復(fù)合過(guò)程中，部分空氣及金屬射流來(lái)不及逸出即被包裹在內(nèi)，形成缺陷。CC-2試樣與CC-1試樣的試驗(yàn)結(jié)果一致，裂紋均萌生自界面處與基層邊緣處。溫度為-60℃時(shí)，界面處裂紋萌生及擴(kuò)展方式與室溫下一致。
4正向三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)
圖11為DD-1與DD-2試樣裂紋處的宏觀(guān)形貌。由圖11可知：2個(gè)試樣中的裂紋均萌生自試樣復(fù)合層上表面處，隨后向下擴(kuò)展；DD-1試樣裂紋擴(kuò)展到界面層后，繼續(xù)向基層內(nèi)部擴(kuò)展，而DD-2試樣裂紋擴(kuò)展到界面層時(shí)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)而沿界面方向擴(kuò)展。裂紋直接擴(kuò)展進(jìn)入基層會(huì)降低結(jié)構(gòu)承載能力，在低溫條件下會(huì)增加結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，而裂紋在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)則不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力造成明顯影響，但可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合層發(fā)生大面積脫落，破壞結(jié)構(gòu)的完整性。
DD-1試樣斷口SEM形貌如圖12所示。由圖12可知：裂紋源位于復(fù)合層材料邊緣應(yīng)力集中處，在裂紋源頭均未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔或者夾雜物。室溫下的正向三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果與-60℃下相似。
03｜結(jié)論
（1）在軸向拉壓疲勞載荷下，復(fù)合鋼板界面處并不是最薄弱的部位，復(fù)合層317L鋼性能優(yōu)于基層，裂紋起裂位置主要為基層FH40 鋼邊緣處；溫度為-60℃時(shí)，在440MPa應(yīng)力加載條件下，試樣斷裂時(shí)最大循環(huán)周次為12900。
（2）在三點(diǎn)彎曲疲勞載荷下，復(fù)合鋼板界面對(duì)裂紋起裂及擴(kuò)展行為存在顯著影響。在側(cè)向三點(diǎn)彎曲疲勞載荷下，裂紋起裂位置主要為界面缺陷處，裂紋起裂后呈一定角度向基層和復(fù)合層擴(kuò)展，復(fù)合鋼板界面處是非常薄弱的部位；溫度為-60℃時(shí)，在1100MPa應(yīng)力加載條件下，裂紋起裂時(shí)最大循環(huán)周次為22000。在正向三點(diǎn)彎曲疲勞載荷下，裂紋主要由復(fù)合層上表面起裂，隨后向界面處擴(kuò)展，裂紋穿越界面時(shí)，可能繼續(xù)向基層擴(kuò)展，也有可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)并沿界面擴(kuò)展。溫度為-60℃時(shí)，在1100MPa應(yīng)力加載條件下，裂紋擴(kuò)展至貫穿復(fù)合層時(shí)的最大循環(huán)周次為87000。
（3）在不同加載方式下，復(fù)合鋼板裂紋起裂行為與組合層的性能及所受應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。同時(shí)界面處因含有缺陷，易成為性能薄弱處，在復(fù)合鋼板抗斷設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮該處。
作者：殷洪 1，楊常舉 2，唐敏 1，李旭 1，楊超飛 2，3，牛繼承 2，3
單位：1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所；
2、洛陽(yáng)船舶材料研究所；
3. 海洋腐蝕與防護(hù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2025年第12期
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
