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304不锈钢钎焊板翅结构疲劳断裂机理分析
摘要：
本文通过对304不锈钢钎焊板翅结构的疲劳断裂机理进行分析，揭示了不同工况下该结构的疲劳断裂特征和机理。研究表明，在高周疲劳寿命段，疲劳断裂往往发生在翼缘附近的焊接处，且疲劳裂纹以沿焊缝方向为主；而在低周疲劳寿命段，疲劳断裂往往发生在翅板内部某处，且疲劳裂纹以交错方式出现。此外，疲劳荷载幅值和工况对该结构的疲劳寿命具有显著的影响，越高的荷载幅值和越恶劣的工况使得该结构的疲劳寿命越短。
关键词：304不锈钢；板翅结构；疲劳断裂；机理分析
Abstract:
Thispaperanalyzesthefatiguefracturemechanismof304stainlesssteelbrazingplatefinstructure,revealingthefatiguefracturecharacteristicsandmechanismofthestructureunderdifferentworkingconditions.Thestudyshowsthatinthehighcyclefatiguelife,fatiguefractureoftenoccursattheweldnearthewingedge,andthefatiguecrackismainlyalongthedirectionoftheweldseam;inthelowcyclefatiguelife,fatiguefractureoftenoccursatacertainpointinsidethefinplate,andthefatiguecrackappearsinastaggeredmanner.Inaddition,thefatigueloadamplitudeandworkingconditionshaveasignificantimpactonthefatiguelifeofthestructure,andhigherloadamplitudeandworseworkingconditionsmakethefatiguelifeofthestructureshorter.
Keywords:304stainlesssteel;platefinstructure;fatiguefracture;mechanismanalysis
一、引言
钎焊板翅结构是一种经常用于换热板组件中的结构形式。它通常由平板、翅片和钎料三部分组成，具有结构轻、导热性能好等优点。然而，由于翅片在使用时会受到交替的热膨胀和收缩，以及流体动力冲击等载荷作用，因此很容易出现疲劳断裂现象。疲劳断裂不仅会影响该结构的正常使用，还会对设备的安全性造成威胁。因此，研究该结构的疲劳断裂机理具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文以304不锈钢钎焊板翅结构为研究对象，通过实验和数值模拟相结合的方法，分析了该结构在不同工况下的疲劳断裂特征和机理，并探讨了疲劳荷载幅值和工况对该结构疲劳寿命的影响，旨在为该结构的设计和使用提供理论依据。
二、实验材料和方法
实验材料为厚度为1.5mm，长度为100mm，宽度为20mm的304不锈钢钎焊板翅结构。实验采用直角弯曲法，按一定幅值进行疲劳循环载荷，测量载荷与位移之间的关系，进而分析该结构的疲劳断裂特征和机理。
在数值模拟方面，采用ABAQUS软件，建立三维有限元模型，通过初始缺口和静态载荷建立疲劳裂纹的模型，模拟疲劳载荷作用下的结构疲劳断裂过程。
三、结果和分析
3.1疲劳断裂特征
实验结果显示，结构在高周疲劳寿命段往往先出现疲劳断裂，且断裂位于翼缘附近的焊接处。断口形貌表现为裂纹从焊缝附近的金属区域开始，向着材料较薄的翅缘移动，形成以焊接处为中心的半月形疲劳断口。图1为高周疲劳寿命段的断口形貌图。
[插图1高周疲劳寿命段的断口形貌图]
显然，在高周疲劳寿命段，焊接处是较为脆弱的部位，而且由于焊接区域的拉伸应力比较大，因此疲劳裂纹主要沿着焊缝方向扩展。
在低周疲劳寿命段，结构的疲劳断裂则往往发生在翅板内部某个位置。断口形貌表现为裂纹自内部某点开始，经过一段距离后穿过翅片的断面，再次进入翅板内部。裂纹通常是呈交错状分布，可能通过翅板内的点或开口穿过翅板内部。图2为低周疲劳寿命段的断口形貌图。
[插图2低周疲劳寿命段的断口形貌图]
结构在低周疲劳寿命段的疲劳断裂与外部载荷的振动频率有关，频率越低，疲劳损伤的影响就越显著，更容易导致疲劳化裂纹产生。
3.2疲劳断裂机理
结构在高周疲劳寿命段的疲劳断裂机理主要是由于焊接区域出现了较大的应力集中。由于材料的韧性很弱，一旦疲劳裂纹产生，裂纹扩展很快，最终导致疲劳断裂。在高周疲劳寿命段，结构的振动幅值相对较小，因此疲劳断裂呈现出比较明显的疲劳裂纹扩展特征。
在低周疲劳寿命