0 引　言

极地低温环境下船舶结构的安全性问题日益受到学术界的关注，尤其是低温对船用高强度钢材性能的影响，已成为研究的热点之一^{[1 − 4]}。极端低温环境会导致材料韧性降低、脆性增加，使得结构对裂纹缺陷更加敏感，进而改变疲劳裂纹扩展的内在机制和本构模型，直接影响焊缝及其热影响区的裂纹扩展寿命，给船舶结构安全性带来严峻挑战。这些影响可能导致设备和结构功能发挥受阻、作业效率降低，甚至引发关键结构的疲劳断裂或舱室进水，威胁到船舶的整体安全。

廖小伟^[5]对Q345qD和Q370qE钢桥梁用钢进行了室温和−60℃下的典型焊接节点疲劳试验。Wang等^[6]对屈服极限为355 MPa级别的低温船用钢材料EH36及典型焊接节点在−40℃低温环境下的疲劳性能进行了试验，得到了常温和低温环境下母材和T型接头的S-N曲线，揭示了低温对疲劳性能的影响规律，并给出了2种环境下疲劳寿命的统计特性。Zhao等^[7]对同屈服极限级别的DH36钢3类典型焊接节点进行了低温疲劳S-N曲线试验及CT试样裂纹扩展试验，并通过扫描电镜观察断口微观形貌，进一步阐释了低温下疲劳失效机理。目前，研究多集中于中高强度钢或铝合金材料，而对于400 MPa以上屈服极限的高强度钢研究较少，且缺乏对低温环境影响材料疲劳性能的定量评价，以及对船体典型焊接节点疲劳性能相关控制因素作用规律的准确描述。

本文针对屈服极限400 MPa级HTS-A船用钢，开展最低−60℃环境下拉伸力学性能试验，低温冲击韧性试验，典型节点疲劳性能试验以及三点弯曲试样裂纹扩展试验，分析低温对HTS-A钢材料性能的影响，结合断口分析，揭示低温对裂纹扩展速率影响机理，掌握低温环境下材料疲劳特性，为低温环境下船舶结构的疲劳安全性评估方法建立提供技术支撑。

1 低温环境下高强度钢及典型节点疲劳裂纹扩展特性研究 1.1 力学性能试验

根据文献[8 − 9]开展室温、−40℃、−60℃拉伸试验，试验对比结果如表1所示。可见，与常温相比，低温−40℃环境下材料屈服极限提高了6.86%，抗拉强度提高了6.65%；低温−60℃环境下材料屈服极限提高了10.46%，抗拉强度提高了11.64%。

根据文献[10]开展了系列温度冲击试验，制备试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的标准V型缺口试样，试样均为板厚中心位置取样，同时对冲击断口测量了纤维断面率，根据试验结果绘制出钢板的冲击吸收能量～温度（KV₂～T）曲线和纤维断面率～温度（FA～T）曲线，如图1所示。

1.2 裂纹扩展及疲劳性能试验模型

为研究材料低温环境下疲劳裂纹扩展性能，开展室温、−40℃、−60℃环境下裂纹扩展速率试验与全焊透十字接头试样的疲劳性能试验。结合船舶结构实际结构特点及焊接工艺要求，对试件进行设计，取船舶结构关键位置处低温疲劳性能焊接形式试件。试验选取的全焊透十字接头试件和三点弯曲试样如图2所示，其中全焊透十字接头广泛用于船舶多处连接部位，如外底板和肋板与纵舱壁连接处、内底板和肋板与纵舱壁连接处等都存在类似结构。

十字接头试样应力测试位置选取在试样表面中心处，用于试验开始前弹性试验阶段的应力监测，以确保试验加载均匀，试样承载稳定，即距离焊趾为t/2、3t/2处分别布置一个应变计，采用热点应力插值法得到焊趾处应力。

1.3 试验装置与加载

试验包含低温环境下船舶典型节点疲劳试验，因此除满足常规疲劳试验基本要求外，试验过程中，试件需始终处于低温试验环境下。

三点弯曲疲劳裂纹扩展速率试样，疲劳裂纹扩展速率采用恒载荷法，具体试验参数如表2所示。全焊透十字接头试验每组试验选取3级应力水平，每个应力水平测试3个试件，试样编号及加载情况如表3所示。

1.4 疲劳破坏标准

参考相关标准及文献资料，十字接头疲劳试样表面热点附近出现裂纹并扩展至贯穿整个试件板厚时，定义为试件破坏。试验过程中，注意观察并记录试件热点附近裂纹萌生及扩展过程情况，当试件出现可见裂纹时（20～30 mm表面裂纹），将此时载荷循环次数记为N₀，当裂纹继续扩展至贯穿整个板厚时，将载荷循环次数记为N。对于疲劳裂纹扩展试验中的三点弯曲试样，当裂纹出现不稳定扩展时，结束试验，并根据国标给出的最小韧带尺寸标准判断裂纹长度有效范围。

2 结果分析 2.1 三点弯曲试样裂纹扩展试验结果分析

根据文献[11]开展了室温、−40℃、−60℃条件下的疲劳裂纹扩展速率试验，获取了裂纹长度随循环周次的变化情况以及裂纹扩展速率随应力强度因子幅值ΔK的变化情况，如图3所示。结果表明，随试验温度的降低，裂纹稳定扩展阶段的扩展速率有所减小。

采用Paris公式对裂纹稳定扩展阶段进行拟合，拟合结果如表4所示。结果表明，随温度的降低，参数C呈现减小的趋势，而m随温度的降低逐渐增大。

根据位错动力学理论，疲劳裂纹的扩展是裂纹尖端在循环应力场的作用下不断钝化（应力增强）和锐化（应力释放）的结果，裂纹扩展的本质是在一定应力场下受热激活能的作用使裂纹尖端位错运动而使裂纹向前扩展，裂纹扩展速率da/dN不仅与应力强度因子幅值ΔK有关，同时还受温度和载荷频率的影响^[2]，在低温条件下，开动位错运动的阻力增大，所需要的热激活能增大，因而与室温条件相比，低温下的疲劳裂纹扩展速率略有降低。

当疲劳裂纹处于稳定扩展阶段，疲劳条纹的间距代表了疲劳裂纹的扩展速率，因而理论上可以通过测定条纹间距判断裂纹扩展速率。对试样断口疲劳条纹进行观察如图4所示，可以看出对同种材料而言，随温度的降低疲劳条纹间距变化不明显。

选取典型试样，对室温条件下的裂纹扩展路径进行观察，结果如图5所示。试样裂纹扩展路径较为平直，未出现大幅度转折，未观察到次生二次裂纹。裂纹扩展路径的差异主要与材料的组织形貌有关，由金相组织观察结果可知，钢板组织为铁素体+珠光体，晶粒度为10.5级，其强韧化方式主要为晶粒强化，组织中第二相和碳化物析出等含量较少，裂纹扩展阻力相对较小。

2.2 十字接头疲劳性能试验结果分析

全焊透十字接头疲劳性能试验中，每组试验选取3级应力水平，每个应力水平测试3个试件，共进行低温试件9件，试样产生穿透裂纹破坏后结果如图6所示，试验数据处理后结果如表5所示。可见，裂纹产生位置均位于应力水平最高的焊趾处，满足试验预期要求。

疲劳试验过程中，交变应力范围S和结构在应力范围为S的横幅交变载荷作用下达到破坏所需要的应力循环次数N之间，存在一一对应关系，将其用一曲线拟合，即得到所谓的S-N曲线。在常规确定性的疲劳设计和分析中采用中值S-N曲线表示疲劳强度，即将N定义为疲劳寿命的中值。那么平均而言就有一半构件的实际疲劳寿命将低于按S-N曲线计算所得的值，过早地发生破坏。或者说，过早发生破坏的概率将达50%。这显然是不安全的。为保证结构的安全，目前在常规的疲劳设计与分析中多采用概率S-N曲线（即P-S-N曲线）来表示疲劳强度。对给定的应力范围S，用P-S-N曲线计算得到的疲劳寿命具有存活率$p$的安全寿命，即在疲劳寿命的母体中，实际寿命大于此安全寿命的概率为$p$。可见，在常规的疲劳设计与分析中引入P-S-N曲线是对确定性方法的一种改进。

分别采用定斜率极大似然法对低温和常温下疲劳性能试验结果拟合，这里定斜率取m=3。进行P-S-N曲线拟合时，存活率p取97.72%，即拟合得到存活率为97.72%的P-S-N曲线，拟合结果如图7所示。

将拟合得到的P-S-N曲线分别与GJB119/Z中C曲线和D曲线进行比较，结果如图8所示。

本次试验拟合得到的十字接头低温环境下，存活率为97.72%的P-S-N曲线表达式为：

$ \log N = 12.228 - 3\log S。$

(1)

参考高强度钢全焊透十字接头常温环境下疲劳性能试验历史数据，将本次低温试验结果与常温试验及规范S-N曲线进行对比，结果如图9和表6所示。

十字接头低温和常温下P-S-N曲线与规范曲线进行比较，曲线均位于规范曲线上方，即相同应力水平下，试验所得的试样疲劳寿命高于规范值，规范曲线相对保守。

拟合P-S-N曲线与规范曲线寿命对比结果，以及低温与常温P-S-N曲线寿命比结果，如表7所示。同种试样低温和常温下试验结果表明：低温环境下试样的疲劳寿命明显高于常温环境，低温对试样的疲劳性能有一定提升。

3 结　语

1）通过对典型高强度钢进行不同温度下的疲劳裂纹扩展速率试验，获得了HTS-A钢在室温、−40℃、−60℃环境下的疲劳裂纹扩展速率公式，结合断口形貌观察和组织分析，可知在试验温度范围内，随试验温度的降低，裂纹稳定扩展阶段的扩展速率有所减小，采用Paris公式对裂纹稳定扩展阶段进行拟合，参数C呈现减小的趋势，而m随温度的降低逐渐增大；裂纹扩展路径与组织相貌相关，回火索氏体组织具有良好的裂纹扩展抗力。

2）通过开展屈服极限400 MPa级高强度钢HTS-A材料及典型焊接节点在低温环境下的疲劳性能试验，得到了−60℃低温环境下HTS-A十字接头的S-N曲线，综合比较低温与常温环境下HTS-A钢十字接头的疲劳性能，明确了低温对疲劳性能的影响规律：低温和常温环境下HTS-A钢材母材试样和十字接头试样疲劳寿命均高于规范C曲线和D曲线寿命，规范S-N曲线仍然适用于低温（−60℃）环境下的结构疲劳强度评估，但结果偏于保守，低温十字接头试样疲劳寿命分别为常温和D曲线的1.21倍和1.35倍。