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本文系统研究了拉伸平均应力对冶金起重机主梁用蚕345钢在多轴载荷下疲劳失效行为的影响，通过系统的实验研究、理论分析和微观表征，揭示了平均应力在多轴疲劳中的作用机制，并对工程安全评估提供了重要依据。以下是主要研究内容与结论的详细总结：

一、研究背景与意义

冶金起重机主梁常采用Q345钢制造，其在服役过程中承受复杂的多轴交变载荷，且常存在由于自重、残余应力或外部振动引起的平均应力。平均应力对疲劳寿命有显著影响，尤其在多轴应力状态下更为复杂。现有起重机设计规范（如GB/T 3811—2008）仍基于单轴疲劳理论，未能充分考虑多轴载荷与平均应力的耦合效应，导致实际结构疲劳寿命低于设计预期，存在安全隐患。

二、试验方法与设计

1. 材料与试样：

- 采用Q345低碳钢，试样工作段直径8 mm，长度10 mm，表面经精细抛光至粗糙度Ra < 0.2 μm，以减小数据分散性并便于观察裂纹行为。

2. 试验设备与加载条件：

- 使用MTS-809电液伺服拉扭疲劳试验机，在室温大气环境中进行试验。

- 首先进行单轴拉压和纯扭转疲劳试验，绘制S-N曲线，确定后续多轴试验的等效应力（275 MPa）。

- 多轴试验采用比例加载（应力幅比λ=1，相位差δ=0°），设置四组拉伸平均应力（σ? = 15, 30, 45, 60 MPa），每组3个试样。

3. 观测与分析方法：

- 使用光学显微镜观察表面裂纹萌生与扩展路径；

- 采用扫描电子显微镜（SEM）分析断口微观形貌，包括疲劳源区、扩展区和瞬断区。

叁、主要研究结果

1. 疲劳寿命变化规律：

- 多轴疲劳寿命随拉伸平均应力增大而显著降低。尤其在σ?从30 MPa增至45 MPa时，寿命出现骤降，与多裂纹协同扩展机制有关。

- 在相同等效应力下，多轴疲劳寿命介于单轴拉压和纯扭转寿命之间，说明扭转载荷的参与显著影响疲劳行为。

2. 裂纹行为分析：

- 萌生阶段：所有试样裂纹均萌生于最大切应力幅值平面（MSSA平面），与理论预测一致。

- 扩展阶段：低σ?时裂纹沿最大切应力平面扩展；高σ?（≥45 MPa）时，多个裂纹同时萌生并相互连接，形成网状裂纹结构，显著加速失效过程。

3. 断口微观形貌特征：

- 疲劳源区：

- 低σ?（0–15 MPa）：可见明显滑移线和挤压痕迹，表明正应力主导；

- 高σ?（≥30 MPa）：滑移线减少，出现擦伤痕迹，切应力作用增强。

- 扩展区：

- 可见清晰疲劳条带，条带间距随σ?增大而增加，反映裂纹扩展速率加快。

- 瞬断区：

- 主要特征为剪切韧窝（抛物线形），表明切应力主导最终断裂；

- 随着σ?增大，等轴韧窝（圆形）数量略有增加，说明正应力作用增强，但切应力仍占主导。

4. 理论分析：

- 通过推导多轴应力状态下任意平面应力表达式，发现：

- 最大正应力随σ?增大而显著升高；

- 最大切应力幅值及其方向不受σ?影响，但其绝对值因σ?增大而升高；

- 切应力在多轴疲劳中的作用随σ?增大而逐渐占据主导。

四、工程启示与建议

1. 设计规范需更新：现行起重机设计规范中疲劳评估方法未考虑多轴载荷和平均应力的影响，建议引入多轴疲劳准则和平均应力修正模型。

2. 监测与维护建议：在实际服役中，应重点关注高应力区域的平均应力状态，定期进行无损检测，尤其是多裂纹萌生区域。

3. 材料与工艺优化：可通过表面处理（如喷丸强化）引入压应力，抵消拉伸平均应力的不利影响。

五、结论

本研究表明，拉伸平均应力显着降低蚕345钢在多轴加载下的疲劳寿命，并通过改变应力状态主导机制（由正应力转向切应力）影响裂纹萌生与扩展行为。高平均应力下多裂纹协同扩展是寿命骤降的主要原因。该研究为起重机主梁等关键结构的多轴疲劳设计与安全评估提供了实验与理论支持。