残余应力对X80焊管疲劳寿命的影响

疲劳测试结果显示X80焊管经过各预处理工艺后疲劳寿命均有所上升，特别是去除焊缝余高后的试样在改变焊接接头处残余应力分布之后疲劳寿命增幅尤为明显(图5-3b)。在最大应力为550 MPa时，去除焊缝余高后的原始试样经过去应力退火后疲劳寿命增加了5.48倍，而经过预应变后试样的疲劳寿命增加了1.49倍，预应变后试样经过去应力退火后更是达到了疲劳极限值(疲劳寿命超过10 7 N)。对于去除焊缝余高的试样来说，疲劳性能的变化受到焊趾处应力集中和焊缝表面粗糙度的影响较小[92,121]，去除焊缝余高后疲劳试样的断裂位置一致也排除了焊接接头处组织变化对去除焊缝余高后疲劳试样的影响(图5-4)。因此，影响去除焊缝余高后试样疲劳寿命的原因除了焊接接头处的残余应力分布之外还有焊接接头处的强度变化。

原始试样经过去应力退火后抗拉强度略有增加，但是退火后试样在拉伸过程中出现了屈服平台且屈服强度提升较为明显(图5-2)。去应力退火后，由于位错密度的增长，晶粒内部的位错堆积现象比原始试样更为严重(图5-12f)。退火前后晶粒内部位错分布的变化是退火后屈服强度升高和屈服平台出现的主要原因。经过去应力退火后试样内的碳原子会发生扩散，扩散了的碳原子钉扎位错并导致位错在拉伸过程中难以运动易于发生不连续屈服现象。位错密度的上升以及位错堆积程度的加大进一步阻碍了位错的运动，从而促使退火后试样产生了屈服平台并导致屈服强度显著增加。

预应变试样的抗拉强度随位错密度的显著增加而上升，并且在试样进行拉伸试验前位错堆积现象已经处于较高水平(图5-14c)，在拉伸过程中位错堆积持续阻碍位错进一步发生运动，因此使试样出现连续屈服现象，从而没有出现屈服平台。预应变的试样经过退火后抗拉强度出现了降低，降低的幅度约为12 MPa，并且在工程应力应变曲线中也出现了屈服平台(图5-2)。在进行拉伸试验时，高密度的位错逐步发生堆积，堆积的位错阻碍了位错的运动，再加上退火后碳原子的扩散加重了这一过程，因此导致屈服平台出现，并且与预应变试样相比位错密度的降低导致位错堆积的程度下降，因此抗拉强度也有小幅度下降。

残余应力对材料疲劳性能的影响可以通过残余应力强度因子K res来说明。残余应力的存在不会改变外加应力强度范围，但会改变外加强度因子比值。根据线弹性对于处于压缩残余应力的原始试样来说，去应力退火会减小压缩残余应力，不利于疲劳寿命的提高。然而，虽然原始试样经过退火后裂纹萌生区域的压缩残余应力减小了45 MPa(图5-5b)，但是去应力退火后试样的疲劳寿命仍然大幅提高了5.48倍(图5-3b)，这与去应力退火后试样强度的升高有关。原始试样退火后疲劳裂纹萌生区域的硬度值提高了5 HV(图5-11b)，并且去应力退火后试样的屈服强度明显提高(图5-2)。疲劳性能与材料的强度密切相关，强度越高，材料的疲劳寿命越大[168]。因此，该试样的压缩残余应力虽有所降低，但是由于屈服强度和硬度的提高，疲劳寿命仍然出现了大幅增长。

预应变后，试样内部80%以上面积的残余应力转换成了拉伸残余应力，并且疲劳裂纹萌生区域的拉伸残余应力达到了87 MPa(图5-5c)。然而，试样整体抗拉强度提高了38 MPa(图5-2)，疲劳裂纹萌生区域的硬度值也提高了23 HV(图5-11c)。因此，强度和硬度的提高再次成为主导作用，促使预应变后X80焊管的疲劳寿命提高了1.49倍(图5-3b)。但是与原始试样去应力退火后的疲劳寿命相比，预应变后的疲劳寿命却小很多，这和试样内部残余应力的分布有关。预应变后，随着位错在晶界处的不断堆积(图5-14a)，晶界处的残余应变集中现象相当严重(图5-6c)，由此产生的应力集中极易导致疲劳裂纹萌生。同时，预应变试样疲劳裂纹萌生区域的拉伸残余应力加速了裂纹萌生过程，从而降低了疲劳寿命。

与预应变试样相比，虽然试样整体抗拉强度减少了12 MPa(图5-2)，并且疲劳裂纹萌生区域的硬度也减少6 HV(图5-11d)，但是预应变试样经过退火后在550 MPa最大循环应力时的疲劳寿命超过了10 7 N(图5-3b)，该试样疲劳性能的改变超过预期。

预应变试样在去应力退火过程中位错的变化促进了疲劳寿命的提高，随着集中在晶界处的位错再次运动至晶内，晶界处的应变集中现象也大幅减少，因此降低了疲劳裂纹萌生的概率。同时，去应力退火过程中拉伸残余应力的大量释放促进了疲劳寿命的提高。此外，该试样的抗拉强度较原始试样去应力退火前后仍然分别提高了26 MPa和15 MPa，保留了预应变后强度提高的优势，因此预应变后去应力退火X80焊管的疲劳寿命是这四种应力状态中最高的。