（固体力学专业论文）锈蚀对低碳钢疲劳寿命及裂纹扩展速率影响的试验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 金属构件因疲劳破坏是造成构件失效的最普遍、最常见的形式之一。尤 其在工程中应用十分普遍的低碳钢，由于服役环境复杂，极易发生锈蚀现象， 更易发生破坏，其个别结构的破坏往往造成灾难性的巨大损失。因此研究锈 蚀对低碳钢疲劳寿命及裂纹扩展速率的影响具有巨大的现实意义。 本文主要是通过在中、外大量文献对疲劳裂纹及扩展研究的基础上，采 用电化学快速锈蚀模拟低碳钢在自然环境下的锈蚀，制作疲劳光滑试样和紧 凑拉伸( c ( t ) ) 试样，研究其在不同锈蚀率下疲劳寿命及裂纹扩展( d a d n ) 行为，具体研究内容和结果如下： 1 、本文开发的电化学快速锈蚀试验装置可以在较短的时间内成功模拟低碳 钢在自然条件下的锈蚀；本文采用对锈蚀后试件表面进行“镀铬色自动 喷漆 的处理在试验过程中可以使裂纹更加清晰的观察记录；结果证明 了这一方法的有效性。 2 、在疲劳寿命试验中，5 锈蚀率试件的萌生寿命大大低于未锈蚀试件的萌 生寿命，萌生寿命和疲劳寿命大约降低了5 5 ，疲劳极限大大降低；由图 5 - 5 知锈蚀对低周疲劳寿命的影响大于对高周疲劳寿命的影响。 j 一 3 、本文提出的祟= c a 裂纹扩展速率公式可以较好地描述低碳钢基材在 硅一 不同锈蚀率下的疲劳裂纹扩展规律。 4 、锈蚀率对疲劳裂纹扩展速率影响不大，主要是因为裂纹扩展过程中在裂 纹尖端会形成塑性区，而塑性区的粗晶纤维组织可促进氧化物的产生并 诱发裂纹闭合现象的发生，再加上锈蚀促进裂尖塑性变形，必然导致裂尖 后部的塑性延伸量增大，从而使裂纹闭合程度得到提高。同时，锈蚀必然 导致裂纹面粗糙，而裂纹面粗糙可以提高材料的疲劳断裂阻力。锈蚀率 对疲劳裂纹扩展速率影响不大是以上因素共同作用的结果。 5 、由疲劳寿命试验和裂纹扩展试验可以看出：裂纹萌生寿命占到了疲劳寿 命的主要部分，可以达到9 0 ，而裂纹扩展寿命只占很小一部分；锈蚀主 要影响的是裂纹萌生寿命，而对裂纹产生后的裂纹扩展速率影响并不明 显。 v 山东大学硕十学位论文 关键词：低碳钢；电化学快速锈蚀；s n 曲线；疲劳裂纹扩展速率 v i 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h a tm e t a lc o m p o n e n ta r ef a i l e db e c a u s eo ft h ef a t i g u ef a i l u r ei so n eo ft h e m o s tp o p u l a ra n dc o m m o nf o r m t h el o w c a r b o ns t e e l sa r eu s e dw i d e l yi nt h e e n g i n e e r i n g t h e ya r ec o r r o d e da n dd a m a g e de a s i l yb e c a u s eo ft h ec o m p l e x s e r v i c ee n v i r o n m e n t a n dt h el o c a lf a i l u r eo f t e nl e a d st oah u g el o s so f c a t a s t r o p h i cd a m a g e s oi tw i l lh a v et h eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et h a tt h e i n f l u e n c eo ft h ec o r r o s i o no nt h ef a t i g u el i f ea n dc r a c kg r o w t hr a t eo ft h e l o w c a r b o ns t e e l s b a s e do nt h er e s e a r c ho nf a t i g u ec r a c k sa n dc r a c kp r o p a g a t i o ni nt h ev a s t l i t e r a t u r e ，ar a p i de l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o ni su s e dt os i m u l a t et h ec o r r o s i o nt h e l o wc a r b o ns t e e l si nt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ，a n dt om a k et h ef a t i g u ea n ds m o o t h s p e c i m e n sa n dc o m p a c tt e n s i o ns p e c i m e n s a n dm e i rr a t eo f c o r r o s i o ni nd i f f e r e n t f a t i g u el i f ea n dt h eb e h a v i o ro fc r a c kg r o w t ha r er e s e a r c h e d t h es p e c i f i cs t u d i e s a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g s ： t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t i n gd e v i c e d e v e l o p e di nt h i sp a p e rc a l ls i m u l a t ec o r r o s i o no ft h el o w c a r b o ns t e e l su n d e r n a t u r a lc o n d i t i o n si nas h o r tt i m e t h et r e a t m e n tt e c h n o l o g yo f “c h r o m e - a u t o m a t i c p a i n t i n g o nt h es u r f a c eo ft h ec o r r o d e ds p e c i m e n sw i l lm a k ec r a c km o r ec l e a rt o b eo b s e r v e da n dr e c o r d e di nt h et e s t t h er e s u l t sp r o v et h a tt h e s em e t h o d sa r e e f f e c t i v e t h ec r a c kg r o w t h f o 舢l a 紊= q p 姊。s e dc 锄d c s c r i b e 也e f a t i g u e c r a c kg r o w t hl a wo ft h el o wc a r b o ns u b s t r a t eu n d e rv a r i o u sc o r r o s i o n r a t e s c o r r o s i o nr a t eh a sl i t t l ee f f e c t0 1 1t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t h t h ep l a s t i cz o n e a p p e a r sa tt h ec r a c kt i pd u r i n gt h ec r a c kg r o w i n g c o a r s eg r a i nf i b r o u st i s s u ei n p l a s t i cz o n ep r o m o t e st h ep r o d u c t i o no fo x i d ea n da p p e a r st h ep h e n o m e n o no ft h e f a t i g u ec r a c kc l o s u r e ，a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o na p p e a r sb e c a u s eo fc o r r o s i o n a l lo f a b o v er e s u l ti nt h ei n c r e a s eo ft h ep l a s t i ce x t e n s i o na m o u n ta tt h ec r a c kt i pa n dt h e e x t e n to fc r a c kc l o s u r e m e a n t i m e ，t h er e s i s t a n c eo ff a t i g u ef r a c t u r ei si m p r o v e d v i l 山东大学硕十学位论文 b yt h er o u g h n e s so ft h ec r a c ks u r f a c ew h i c hc a u s e db yt h ec o r r o s i o n t h el i t t l e e f f e c to ft h ec o r r o s i o nr a t e so nt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ei st h er e s u l to fa b o v e f a c t o r s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf a t i g u el i f ea n dc r a c kg r o w t hs h o w st h a tc r a c k i n i t i a t i o nl i f ei st h em a i np a r to ff a t i g u el i f e ，c a ne a c ht o9 0 ，w h i l ec r a c k p r o p a g a t i o nl i f ei sav e r yl i a l ep a r t c o r r o s i o nh a sg r e a ti n f l u e n c eo nc r a c k i n i t i a t i o nl i f ea n dn oo b v i o u se f f e c to nc r a c kg r o w t hr a t e k e yw o r d s ：l o wc a r b o ns t e e l ；r a p i de l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n ；s - nc u r v e ； f a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 圣主。j 拳盈 日期：边垫s ! 篷 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 王 秉茛导师签名：眵l 佗日 期：瑚扩s 态 山东大学硕士学位论文 i 第一章绪论 1 1 国内外疲劳问题研究的历史与现状 1 1 1 疲劳强度研究的历史与现状 十九世纪以来，随着科学技术的突飞猛进，材料科学获得了很大的发展。 各种高强度材料的出现，给建筑、机械、航海、航空、航天等许多工业部门 带来了革新。这些变化具体表现在结构向大型化发展，结构承受的载荷更为 复杂化、多样化。于是，面对新的情况，传统的强度设计受到了严峻的考验。 按照人们的习惯和想法，认为高强度材料的应用，更能保证结构的安全。但 是，事实并非如此。近半个世纪以来，在世界各地接二连三地发生了灾难性 的断裂事故。人们围绕事故进行了大量的调查研究，发现都是由于材料的断 裂造成的。然而，若按传统设计方法复算，这些结构的设计是没有问题的， 破坏时的载荷并没有超过设计的极限值。这一系列的破坏事故说明了现有的 强度理论己不能解释许多新的客观现象，它向人们提出了新的问题，促使科 技工作者去重新认识和总结丰富多彩的工程实践经验，并在此基础上探索和 建立新的理论。这就促使疲劳理论的形成与发展。 1 8 2 9 年，德国人a l b e r t 的卷扬机焊接链条疲劳试验开始了疲劳研究的历 史【1 1 。1 8 3 9 年，法国人j v p o n c e l e t 首先采用了“疲劳 来描述材料在交变 载荷下承载能力逐渐耗尽以致最终断裂的破坏现象圆。1 8 4 3 年，英国人r a n i n e 发表了第1 篇疲劳论文( 关于机车车辆疲劳问题) 。1 8 4 2 年，h o o d 提出了疲劳的 “结晶 理论，认为金属强度在重复应力作用下的降低是振动引起的结晶化 所致【3 1 。1 8 4 7 年，有“疲劳试验之父 之称的德国人a w o h l e r 对疲劳现象进 行了系统研究：设计出了第一台疲劳试验机，以后，又研制出许多种形式的疲 劳试验机，并首次用金属试样进行了疲劳试验，系统论述了疲劳寿命与循环 应力的关系，提出了s n 曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的 决定因素，奠定了金属疲劳的基础。从1 9 世纪7 0 j ! l j 9 0 年代，w g e r b e r 研究了 平均应力对疲劳强度的影响，提出了g e r b e r 抛物线方程。英国人g o o d m a n 提出 l i i 东大学硕士学位论文 了著名的简化曲线一g o o d m a n 图。1 8 8 4 年j b a u s c h i n g e r 弓 入t 应力一应变滞后 回线的概念，后来命名为“包辛格效应”。 2 0 世纪初，开始使用金相显微镜来研究疲劳机制n 1 。j a e w i n g 和 j c w h um f r e y l 9 0 3 年指出了疲劳变形是由于与单调变形相类似的滑移所产 生的。1 9 1 0 年，b l a i r s t o w n 研究了循环载荷下应力一应变曲线的变化，测定 了滞后回线，建立了循环硬化和循环软化的概念：并且进行了多级疲劳试验 ( 程序疲劳试验) ，英国人h j g o u g h 研究了多轴疲劳，说明了弯、扭的复合 作用，在1 9 2 4 年出版了一本疲劳巨著金属疲劳。1 9 2 0 年，有“断裂力学之 父”之称的a a g r i f f i t h 发表了他用玻璃研究脆断的理论计算和实验结果， 玻璃的强度取决于微裂纹尺寸，得出了s 4 a = 常数的关系式( s 为断裂时的名 义应力，a 为裂纹尺寸) 。1 9 2 9 年，美国人r e p e t e r s o n 提出了应力集中系数 的理论值。1 9 2 9 1 9 3 0 年，英国人b j p h a i g h 使用了缺口应变分析和内应力的 概念对高强度钢和软钢的不同疲劳缺口效应作了解释。 上世纪3 0 年代，喷丸技术解释了车辆和弹簧经常发生疲劳破坏的问题， j 0 a l m a n 正确解释了喷丸提高疲劳强度的机制主要是表面层内建立的 压缩残余应力的作用。1 9 3 7 年，n e u b e r 弓l 入了应力梯度的概念，并指出决定 缺口疲劳强度的是缺口根部表面层中的应力平均值，而非缺口根部的最大应 力。1 9 4 5 年，美国人m a m i n e r 提出了p a l m g r e n m i n e r 线性积累损伤法则， 苏联人c a c e p e h c e h 提出了常规疲劳设计的计算公式。上世纪5 0 年代，对疲 劳研究有三大贡献。其一：是研制出了闭环控制的电液伺服疲劳试验机，其二： 电子显微镜在疲劳机制研究中的采用，其三：美国航空和航天管理局( n a s a ) 刘易思研究所的s s m a n s o n 和l f c o f f i n 提出了表达塑性应变和疲劳寿命间 关系的m a n s o n c o f f i n 方程。1 9 6 1 年，n e u b e r 开始用局部应力应变研究疲劳寿 命，提出了n e u b e r 法财。1 9 6 3 年，美国人p c p a r i s 提出了表达裂纹扩展规律 的著名关系式一p a r i s 公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿命的新方 法，在此基础上发展出了损伤容限设计，从而使断裂力学和疲劳这两门学科 逐渐结合起来。6 0 年代还开始将统计学应用于疲劳试验和疲劳设计，1 9 6 3 年， 美国材料试验学会( a s t m ) 的e 9 疲劳委员会发表了疲劳试验与疲劳数据的统 计分析指南一书。1 9 7 1 年，r m w e t z e l 在m a n s o n c o f f i n 方程的基础上，提 2 t l i 东大学硕十学位论文 出了根据应力一应变分析估算疲劳寿命的一整套方法局部应力应变分析 法。可靠性理论和损伤容限设计也都开始在疲劳设计中应用。时至今日，在 微观机理方面，对疲劳裂纹的萌生与扩展机制己经有了比较清楚的了解。在 疲劳试验方面，已经广泛使用概率统计方法来进行试验设计和数据处理在疲 劳设计一方面己经提出了4 种疲劳设计方法：名义应力疲劳设计法，局部应力 应变分析法，损伤容限设计，疲劳可靠性设计。 国内的疲劳强度研究工作开始较晚，近2 0 年来发展较快。在疲劳设计方 面，航空部门已经在轴类等零件中使用了疲劳设计。同时在基本理论研究上 提出了新的概念和模型。虽然疲劳在理论研究和工程应用方面都取得了可喜 的成就，由于疲劳破坏的工程结构所处环境的多变性，所受载荷的复杂性， 使疲劳的研究工作还存在很多问题需要解决。 1 1 2 疲劳裂纹扩展研究的历史与主要问题 与疲劳强度的研究一样，疲劳裂纹扩展的研究也经历了一个很长的过程， 早在4 0 年代，对疲劳裂纹扩展的研究悔6 。给出的疲劳裂纹扩展速率表达式的形 式有： d a ：彳仃m 口一( 1 1 )= 彳仃4 口4( 1 一1 ) 心 式中仃为外加应力，口为裂纹长度，彳，m ，以为试验测定的常数观察到 m = 2 n 。这为以后将a k 引进疲劳裂纹扩展的研究，有某种启示性意义。 上世纪5 0 年代以后，随着断裂力学的发展和电子显微镜的应用，疲劳裂 纹扩展的研究取得突飞猛进的发展。疲劳裂纹扩展的研究在微观和宏观两方 面同时展开。在微观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的微观机制和相关的微 观力学模型：宏观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的力学模型和疲劳裂纹扩展 速率表达式。文献总结出疲劳裂纹扩展有四种可能的机制，即条带机制、 微区解理、微孔连接和晶间分离。其中，对疲劳条带的观察，给出了关于疲 劳裂纹扩展的最有价值的信息，并据此提出疲劳裂纹扩展的微观力学模型， 如l a i r d 模型、微孔联接模型等豳9 1 。这为研究疲劳裂纹扩展的力学模型和疲 劳裂纹扩展速率表达式，提供了物理根据。 3 山东大学硕十学位论文 宏观方面，最重大的成就，当首推p a r i s 提出的疲劳裂纹扩展速率表 达式： 堕d n2 c ( 赵) 册 ( 1 2 ) 一= i - ，、 l 、7 f1 9 、 p a r i s 的开创性的工作，是将a k 引进疲劳裂纹扩展的研究，表明疲劳裂 纹扩展的控制参数是a k ，尽管p a r i s 公式仅适用于中部区，即稳态裂纹扩展 区。其后，f o r m a n 提出适用于中部区和裂纹快速扩展区的疲劳裂纹扩展速率 表达式10 i 。同时，对影响疲劳裂纹扩展速率的因素，以及影响p a r i s 公式中 的指数和系数的因素，包括内因和外因，都作了研究n l l 2 3 。疲劳裂纹扩展的 理论模型给出m - 2 或4 副，但是，对金属材料，m 在1 4 - 9 6 7 之间变化1 引钥； 而对陶瓷等脆性材料，m 更大高达4 0 以上汹3 。由此可见，建立新的疲劳裂纹 扩展的理论模型是建立更为合理的疲劳裂纹扩鼹速率表达式的基础，丽这一 研究仍在进行之中。 7 0 年代，提出刖的概念并实验测定了刖。此后，提出了适用于近门 槛区和中部区的疲劳裂纹扩展速率表达式以及适用于近门槛区、中部区和快 速扩展区的疲劳裂纹扩展速率表达式，总计达1 0 0 余个疲劳裂纹扩展速率表达 式。同时，提出了裂纹张开和闭合的概念。但没有能同时适用于3 个区的表达 式。 6 0 年代，对高分子材料中酶裂纹扩展进行了研究。最近，对新型结构材 料，如结构陶瓷中的裂纹扩展进行了研究，但对其疲劳裂纹扩展的控制参数 尚未取得一致的看法1 卿羽。 虽然疲劳裂纹扩展研究已经取得了许多突破性成就，僵其中仍存在许多 闯题需要进一步研究。这些问题巾最主要的就是不同材料具有不同的裂纹扩 展机制，其p a r i s 指数m 也相差悬殊，但不同特性的材料是否具有相同的疲劳 裂纹扩展规律及是否具有相同的裂纹扩展的控制参数尚需研究。其次，在近 门槛区，裂纹扩展速率理论上不应低于孤子间距，但实验中己观测到低予原 子间距的裂纹扩展速率，因此，近门槛区的裂纹扩展机制和模型，有进步 研究的必要，进而阐明门槛值的物理本质，以及估算门槛值的可能性和方法。 4 山东大学硕士学位论文 预测变幅载荷下疲劳寿命和疲劳裂纹起始寿命概率分布的方法已经提出。但 如何确定具有给定存活率的疲劳裂纹扩展速率曲线表达式，以及预测变幅载 荷下疲劳裂纹扩展寿命概率分布的方法，有待进一步研究。可以预见，有了 好的裂纹扩展速率表达式，确定具有给定存活率的裂纹扩展速率曲线表达式， 以及预测变幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命概率分布的方法，该问题就有可能得 到解决。 1 2 本文研究课题的提出 对金属材料而言锈蚀现象十分普遍，在钢铁产品的生产、制备、储存和 服役过程中都难以避免发生锈蚀；尤其是在十分复杂的服役条件中，锈蚀更 易发生。而碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉、而且 在多数情况下能满足使用要求，所以在工程实际中应用十分普遍。而在工程 实践中，由于碳钢在所处环境十分复杂j 通常会产生不同程度的锈蚀，锈蚀 后其疲劳寿命将大为降低。例如在建筑行业中，钢筋锈蚀已成为混凝土结构 中的普通现象，轻则影响结构的使用性和耐久性，重则降低结构的承载力， 甚至导致结构的失效，钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土构件的耐久性的主要原因 之一。因此，研究低碳钢在不同锈蚀率的影响下疲劳寿命及裂纹扩展行为，无疑 将为其实际应用提供重要的参考，具有很大的理论价值和工程实际意义。 本文以断裂力学理论为基础，分析计算碳钢的疲劳裂纹萌生寿命和含裂 纹标准件( 以c ( t ) 试件为例) 的应力分布及应力强度因子。采用疲劳裂纹 扩展速率的实验方法研究不同锈蚀率的试件的裂纹萌生、裂纹扩展行为，并 确定其疲劳裂纹扩展的门槛值，结合理论分析和数值计算得出锈蚀率的大小 对含裂纹金属构件疲劳寿命定量的影响。 1 3 本文研究的主要内容 本文结合当前我国低碳钢普遍使用且服役条件复杂的情况，针对低碳钢 锈蚀疲劳问题，应用断裂、疲劳理论，对3 m m 厚低碳钢板材的疲劳寿命和扩 展特性进行分析试验，为结构设计和使用部门提供参考依据。本文的具体工 作如下： “l 东大学硕士学位论文 l 、开发电化学快速锈蚀试验装置，模拟低碳钢在服役环境下的锈蚀； 2 、采用低周疲劳寿命试验的方法研究不同锈蚀率对低碳钢疲劳寿命的定 量影响； 3 、采用疲劳裂纹扩展速率试验的方法研究不同锈蚀率对钢材的裂纹扩展 速率的定量影响； 6 山东大学硕士学位论文 第二章疲劳寿命及裂纹扩展速率的研究 2 1 疲劳的定义和疲劳寿命 疲劳一词作为专业术语用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。 国际标准化组织( i s 0 ) 在1 9 6 4 年发表的报告金属疲劳试验的一般原理 中对疲劳的定义是：“金属材料在应力和应变的反复作用下所发生的性能变化 叫做疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变 化”。这一描述也普遍适用于非金属材料。 疲劳寿命是指结构和机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。疲 劳破坏的过程分为三个阶段，即疲劳裂纹的萌生( 亦称起始、引发、生核、孕 育等) ；疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂。疲劳断裂是由循环交变应力、拉应力和 塑性应变同时作用的结果。循环交变应力使裂纹萌生，拉应力使裂纹扩展， 塑性应变影响整个疲劳过程。三者缺一，则疲劳裂纹不可能萌生与扩展口1 。 疲劳破坏的过程可分为如下几个阶段：( 1 ) 滑移；( 2 ) 裂纹成核阶段； ( 3 ) 微观裂纹扩展阶段( a 0 0 5 m m ) ；( 4 ) 宏观裂纹扩展阶段，一般认为裂纹长 度从0 0 5 m m 扩展到临界裂纹长度，为宏观裂纹扩展阶段；( 5 ) 断裂阶段。 一般无缺陷的试样疲劳断裂过程，总是由上述几个阶段组成，材料总的 疲劳寿命n 由两部分组成，即形成裂纹( 裂纹萌生) 的寿命0 和裂纹扩展直 至断裂的寿命，n = n o + n ，。 对于在低频加载下工作，所受应力很大，其最大应变接近或超过屈服应 变，这种疲劳称为低周疲劳( 应变疲劳) 。在低周疲劳下形成裂纹的寿命短， 所以总的寿命n 近似等于裂纹扩展寿命。因此在低周疲劳设计中，主要是考 虑裂纹扩展寿命。 对于在高频加载下工作，所承受的应力较低，这种疲劳称为高周疲劳( 应 力疲劳) 。在高周疲劳下形成裂纹的寿命长，所以在高周疲劳设计中，应兼顾 裂纹的萌生寿命和裂纹扩展寿命。 高周疲劳断裂时的循环次数n 一般大于1 0 4 次，通常用s - n 曲线来描述 7 山东大学硕士学位论文 该材料的疲劳特性。 外加交变应力s 和标准试样疲劳寿命n 之间的关系曲线，称为材料的s - n 趋线。绘制s - n 曲线时通常用应力幅疋为纵坐标，以疲劳寿命n 为横坐标。 见图( 2 - 1 ) 图2 - 1 金属材料s - n 曲线 n 次 图中曲线分为一、二、三三个阶段： 第一阶段在低周次( 低于1 0 4 次) 时，曲线斜率不大，它能承受的循环 应力只比单调拉伸强度低一些，此时的疲劳行为近似于单调拉伸；第二阶 段斜率较大，呈现疲劳过程的特点；第三阶段是水平线，相应的应力幅称 为“疲劳极限”。材料在低于疲劳极限的应力作用下服役，不会发生疲劳破 坏【2 4 - 2 7 。 s - n 睦线的第l l 段常用摇下公式攒述： s 小= c ( 2 一王) 两边取对数得： l g n 然l g c - m l g s ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 在双对数坐标系上为一直线。式中，m 为s - n 曲线的斜率，l g c 为直线截距，均为材料常数疆1 。 山东大学硕士学位论文 2 2 疲劳裂纹萌生 2 2 1 疲劳裂纹萌生的概念 疲劳裂纹萌生的概念由于观察方法和研究的层次不同，很难有一个统一 的尺度标准。肉眼观察，一般能观察到的最小裂纹长度为0 2 - 0 3 m m ，而电 子显微镜可小到3 - - 5a 。对实际疲劳试样表面进行观察，可以发现在疲劳寿 命的初期就已形成了滑移带，其所形成的最小裂纹长度为数微米。这一变形 程度，超过了现有宏观检测的分辨能力。为了统一起见，有人提出了一种“工 程尺寸裂纹 的概念，规定疲劳裂纹起始长度约为o 0 7 6 m m ( 1 3 2 英寸) 口1 ， 这样我们采用读数显微镜( 3 0 倍左右) 即可观察到裂纹的萌生。 2 2 2 疲劳裂纹萌生的机理 裂纹萌生总是在应力最高、强度最弱的局部位置上形成的。对于一般构 件而言，机械加工的切削纹，表面擦伤，结构上的内四角及亚表面的夹杂物 等应力集中处，易于形成很高的局部应力，这是疲劳裂纹最先发生的地区， 是裂纹萌生的形式之一。由于材料的结构性质和工作条件的差异，所以疲劳 裂纹形成的方式也不同，归纳起来有以下三种主要形式h ： ( 1 ) 夹杂物与基体界面开裂 在金属材料中，不可避免地存在这一些非金属夹杂物，此外，为了强化 的目的引入第二相，这些夹杂物和第二相质点在一定的交变应力下，本身就 可能发生断裂或与基体界面发生分离，这两种情况都能导致裂纹的形成。 ( 2 ) 滑移带开裂 对于一般韧性金属的无裂纹光滑试样，其疲劳裂纹是由滑移产生的。在 单向静拉伸载荷作用下，金属试件的抛光表面可以观察到滑移带，疲劳过程 的金属表面也出现滑移线或滑移带，与一般静载过程出现的塑性变形相似。 但疲劳过程产生的滑移线更加不均匀。随着塑性变形程度的增加，晶体表面 上的滑移带数并不增加多少，但一些带变得更加明显，从而在材料表面产生 一些粗细不一的凹凸形变( 图2 2 ) ，这是一种不可逆的塑性变形。随着疲劳 的继续，这种由滑移带所形成的凸起( 峰) 和凹进( 谷) 更加明显，并在凹进处 9 山东大学硕十学位论文 形成显微裂纹，成为裂纹源。 f d ) 在品羿附近【6 檄滑移帚的靛口处 阉2 - 2 晶体表瑟及滑移带缺叠 ( 3 ) 晶界开裂： 材料处于高温状态时，滑移带到达晶界上受阻，豳于疲劳继续进行，滑 移带在晶界上引起的应变不断增加，在晶界前造成位错塞积，当位错塞积形 成的应力到达理论断裂强度时，晶界开裂形成裂纹陌1 。 2 。3 疲劳裂纹扩展过程 实际的结构会含有裂纹( 损伤) ，酃使结构中原先不含裂纹，在交变载荷 下，也会激发产生裂纹，当外载荷达到裂纹失稳扩展的临界力毋时，会产生 一次性加载破坏。当在小于以的交变应力作用下，裂纹不会导致结构立即破 坏，仅会缓慢扩展( 称作疲劳裂纹的亚临界扩展) ，待扩展到一定尺寸时就发 生断裂。 疲劳裂纹形成詹，在材料中的扩展可分为两个阶段，如图2 3 所示，第 1 阶段是在与拉应力成4 5 。角的最大剪应力方向扩展，在这一阶段内裂纹扩 展速率和深度都是非常小的。其后，转为第l i 阶段，裂纹沿着最大拉应力平 l o 山东大学硕士学位论文 面进行扩展，其扩展速率与深度都比第1 阶段大得多，这是需要着重研究的 一个阶段1 。 图2 3 金属材料裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展理论就是研究存在裂纹的构件，在交变载荷的作用下裂纹 是怎样扩展的。长期大量的研究表明，疲劳裂纹扩展过程大致可以分为四个 阶段： ( 1 ) 疲劳成核阶段。对光滑无裂纹构件，首先要形成疲劳裂纹，而疲劳 裂纹是通过滑移产生的。在疲劳载荷的作用下，晶粒内将会出现滑移线，反 复载荷就会造成循环滑移应变，在局部微小地区产生反复滑移过程。随着疲 劳载荷的进行，原滑移线逐渐增加形成滑移带，这种侵入沟就是疲劳裂纹的 发源地，形成微小的裂纹，这些微小裂纹沿着与拉应力成4 5 度的方向传播， 这就是疲劳裂纹的第一阶段，这个阶段主要包括金属材料的表面滑移到微观 成核。 ( 2 ) 微观裂纹扩展阶段。这一阶段是属于亚临界裂纹扩展过程。在这一 阶段，裂纹仍沿着滑移面扩展，开始与拉力成4 5 度方向，然后逐渐向与拉力 作用线垂直方向过渡，其扩展速率是很小的，大体上是每循环一次裂纹扩展 1 0 叫毫米。 ( 3 ) 宏观裂纹扩展阶段。这一阶段是指疲劳裂纹a 大于0 05 毫米到裂纹 小于临界裂纹长度为止。在此阶段，裂纹扩展速率增加，一般是以每循环一 山东大学硕士学位论文 嬲 i l li l l l ii- i l l li l li l l l i 冀燃曼曼 次扩展l o 。4 毫米左右，此时裂纹扩展方向与拉应力垂直。这个阶段是最重要的 阶段，也是工程问题中研究得最多的一个阶段。 ( 4 ) 最籍断裂阶段。当疲劳裂纹扩展到临界裂纹长度a 时就产生由稳定 扩展到不稳定扩展转化丽导致脆性断裂。对于离强度材料，e l l 于屈服强度离， 缺口敏感性大，内部夹杂物和硬粒多，往往就在这种宏观的应力集中部位裂 纹成核，并沿夹杂与基体界蘑开裂，由此开始宏观裂纹扩展。 2 4 疲劳裂纹扩展速率 疲劳理论中，疲劳裂纹扩展速率d a d n 是反映带裂纹的零构件抗疲劳断 裂的一个重要指标，也是估算构件剩余寿命不可少的参数疆弼。 纵双疲劳裂纹扩展研究近5 0 年的历史中，最重大的成就可以认为将或力 强度因子幅a k 用来定量地描述疲劳裂纹扩展速率，而这要归功于p a r i s 开创 性的工作，之后疲劳裂纹扩展速率的研究得到迅速的发展脚4 别。他提出了著 名餐j p a r i s 公式： 紊= c ” 3 ) ( a 半裂纹长，n 疲劳循环次数，a k 应力强度因子幅度c ，m 材料系数) 式( 2 - 3 ) 是常用的疲劳裂纹扩展速率公式，它与大量的试验结采有褶当 好的一致性，在工程上得到广泛应用。将其改写成对数关系，则为： t g ( 嘉) 吨c 圳g ( 塍) 沿4 ) 在高属恒幅载荷下，将实验测得的实验数据经过整理蘧在埝( 紊) l g ( 赵) 坐标系中，得到如下图所示曲线： 山东大学硕士学位论文 量区 必 彳 j 鼍i 同距，属 ir a m r a i n 1 栅h ir a m 星期 图2 - 4 准弹性疲劳裂纹扩展三个领域示意图 鼍 麓 b 嚣 氍 羞 富 n z 异 姒 这条曲线大致可以分为三个阶段h 引： 在a 区：由于必较小，黑极小，如小于l o m m c y c l e ，则就认为不扩 a y 展，或即使扩展也不易测试出来，此时对应的a k t 值称为裂纹扩展的门槛值， 记为岖。当外加应力强度因子幅度a k t 超过材料的界限值时从_ ，裂纹扩 展速率明显上升，当a k z 低于门槛值可以认为裂纹基本不扩展。 在b 区，基本上是一条直线，是p a r i s 公式适用的范围。由此线与纵坐 标的交点可求c 值，而直线的斜率即为i l l ，这一阶段也是人们研究的重点。 在c 区：直线的斜率突增，裂纹扩展速率急剧上升，并很快产生断裂现象。 2 5 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 裂纹能否扩展以及裂纹以多大的速率扩展，受到许多因素的影响。裂纹 扩展对一些因素敏感而对另一些因素不敏感，且在不同的扩展区可能表现有 所不同h 4 5 1 。实际研究表明在单轴循环交变应力下，垂直于应力方向的裂纹 扩展速率，一般可以写成以下形式： 塑d n = f ( a a , a , c ) ( 2 5 ) ( n 为应力循环次数，盯为正应力，a 为裂纹长度，c 为与材料有关的常 山东大学硕士学位论文 数) 除了应力幅值、裂纹长度、材料本身是决定裂纹扩展的主要参量外，还 有其它些因素对疲劳裂纹扩展速率能产生影响。 1 平均应力的影响h 羽 在从，不变的前提下( 即应力幅度矿不变) ，改变应力比r 值( 即改变平 均应力) ，试验表明r 值愈高，即愈高，裂纹扩展速度愈快。 2 过载峰的影响 在某常应力幅度下的交变应力中出现过载峰值，它的影响会对随后的低 应力幅度循环下的裂纹扩展速度产生延滞作用。这种效应还可以延续到几千 周以上。裂纹扩展的延滞作用取决于过载峰的大小，过载值愈高，延滞作用 愈大。多次过载会引起附加的延滞。一个很高的过载有可能使其后的低幅循 环中裂纹扩展完全停止。 3 加载频率的影响 一般说来，加载频率愈小，生d n 愈高；加载频率愈大，鱼d n 愈低。在赵， 较低的范围内，频率的影响很小；必，较高时，频率的影响才较显著。 4 温度的影响 对不同材料温度影响有所不同。总的趋势是，温度愈高，裂纹扩展速率 愈高。但会随着等( 或必，) 值的增高，温度的影响逐渐减弱。 v 5 其他因素 除上述几点因素之外，还有其它多种因素也会影响黑值。 d n 环境因素影响：处于腐蚀气体和湿气( 水汽) 条件下的裂纹扩展速率，由 于腐蚀作用，要比通常空气条件下的高很多。 厚度影响：材料的厚度愈厚，黑值愈高。即在同一个峨的作用下， a v 平面应变条件下的豢值比平面应力条件下的高。 c “v 此外塑还会受到冷热处理，产品类型，厂家及批量间的差别等的影响。17 。t “v 1 4 山东大学硕士学位论文 2 6 考虑锈蚀影响的疲劳性能研究 锈蚀会使材料性能下降，导致结构的疲劳寿命降低“7 1 。常见的结构失效 往往是锈蚀和疲劳共同作用的结果。国内外大量的结构故障分析结论表明， 结构中的疲劳开裂通常起始于锈蚀坑。锈蚀坑的存在会导致疲劳裂纹萌生寿 命大幅度降低，在许多情况下正是由于锈蚀行为使材料的疲劳性能产生了变 化，从而引发结构失效。从某种角度看，材料疲劳品质变化主要体现在材料 疲劳性能参数的变化。本文拟采用实验室加速锈蚀的方法来模拟构件服役期 间的锈蚀作用，并对锈蚀后的试件进行疲劳试验来研究典型低碳钢材料的疲 劳常数变化。 尽管影响疲劳裂纹扩展速率的因素有很多，但是近年来的大量工程调查 表明，在腐蚀环境中，由于腐蚀介质的侵蚀，钢结构产生锈蚀，而钢结构的 锈蚀对整体结构疲劳性能的影响较对静态性能的影响严重得多。尤其对钢筋 混凝土结构来说，钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土构件的耐久性的主要原因之一。 本文拟以金属疲劳和断裂力学的方法对锈蚀后的碳钢耐久性进行研究， 用理论分析和试验相结合的方法对不同锈蚀程度的常用结构材料的疲劳性能 进行定量研究。 1 5 山东大学硕士学位论文 第三章试验材料与试件制备 3 1 试验原材料与力学性能 为使本文研究成果为工程实际应用提供疲劳设计依据，以工程中大量使 用的低碳钢为母材。在钢板母材上沿l - t 方向取出三件标准拉伸试样，确定母 材常温力学性能，试验结果见表3 - 1 和图3 - 2 ，3 - 3 。我们采用了s c h e c kt r e b e l r m 2 5 0 电子万能试验机确定母材( q 2 3 5 低碳钢) 的基本力学参数。 图3 1s c h e c kt r e b e lr m 2 5 0 电子万能试验机 费藕一辘向斑形秘缝 试件麓号：l 矿 ， 。i 夕 7 _ - 图3 - 2 计算弹性模量所用负荷一轴向变形的部分曲线 山东大学硕七学位论文 燃簟苎曼! 曼燃鬯鼍曼曼皇黑鼍曼曼! 曼i i i $ i i i ii i iii, i 嬲鼍! 曼曼曼嬲曼曼 盘精位。- 恤虢轴嘟聱糖柏琏 苴_ ：3 l ： ； ；_ ：。一 ， ；：+ - 。 h 麟 淅 黧 3 常3 獬撇淞托 辅一暂譬盘；_ 图3 - 3 材料一s 曲线 袭3 - i 低碳钢力学参数 3 。2 试件翩备及加载装置 试样制作和加载装置按国家标准g b t1 5 2 4 8 - 9 4 金属材料轴向等幅低循 环疲劳试验方法h 蚰和g b t6 3 9 8 2 0 0 0 金属材料疲劳裂纹扩震速率试验方法瞳畦 的要求进行。 为了保证试验结果准确、可靠，应保证试样加工的精度。因为试样表面 的加工质量对试验结果将有直接影响，应确保将试样因加工质量弓| 起的试验 误差降低到最低。因此，对于本文设计的两种试件进行加工时，对试样的外 表面的加工精度提出了严格的要求。试件加工时对试样除具有较高的光洁度 外，还必须徽到在试样的终表面上，特别是试样标距内不应有划痕、损伤， 不许产生冷作硬化或过热。 加载装置应做到具有足够的刚性和良好的同轴度。 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼黑皇皇曼曼i i i i i ii i i i i i i i iii i ii i i皇, i i ii , i , 1 , 1 , , , , i i 篡鼍曼 3 2 1 低循环疲劳试样 试样的形状和尺寸取决子试验目的、试验机类型等因素，其挟持部分应 与试样轴线或缩小的试验截面轴线保持同轴或对称。测定疲劳强度所用的同 一批试样应具有相同的形状、尺寸和表面状态m 3 。鉴于本试验特点，选用光 滑试样的形状和尺寸如下图所示： 图3 4 疲劳光滑试样设计尺寸图厚度为3 姗 3 2 2 紧凑拉伸试件 根据g b t 6 3 9 8 2 0 0 0 的要求【2 钔，我们选取了标准中心裂纹拉伸c ( t ) 试样 ( 以下简称c ( t ) 试样) 来测定金属材料恒力幅疲劳裂纹扩展速率，试件各种尺 寸满足该方法要求的，如图l 。试样加工完成后，在常温下预错1 3 m m 左右的疲劳 裂纹，疲劳裂纹扩展试验在英斯特壤( i n s t r o n ) 8 5 0 2 电液伺服疲劳试验机上进 行： 1 ) 试样厚度b ：3 m m 满足厚度上限不大予要的要求( w = 4 8 m i l l ) 和最小厚 6 度能避免瘸曲的要求；试样宽度w 和无裂纹韧带区长度均满足标准相应要求。 2 ) 为便于预制出合格的疲劳裂纹，我们采用线切割加工试样切口，切口 根部曲率半径p 小于0 1 h u n ，试样切豳长度a 。大于中心孔半径的3 倍，切口几 何形状如图3 5 所示： 1 9 山东大学硕士学位论文 | i l l l illlllllllllll一illlii i i l l ! , l l l l l 一, l !i 燃拦篡曼曼舅鼎囊鼍 圈3 - 5 切口详图及最小疲劳预裂纹长度的要求 3 ) 试样不可避免地会存在残余应力，它有可能引起疲劳裂纹扩展速率的 变化，我们通过选择合适的试样形状和尺寸【如c ( t ) 试样和较小的8 加毙值) 及合理的试样加工工艺等，使残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响减至最小。 我们按照以上要求，设计并加工了c ( t ) 试样如下图所示： 图3 - 6c ( 零) 试样设计图( w = 3 0 m mb = 3 m m ) 3 2 3 电化学快速锈蚀试验 为使试件的锈蚀能够达到钢筋混凝土中的钢筋在自然环境下锈蚀的效 果，采用钢筋快速锈蚀试验方法中的电化学快速锈蚀来模拟钢筋在实际环境 中的锈蚀。该方法是利用电化学原理，将待锈钢筋件放入一定浓度的电解 质溶液中，待锈蚀钢筋作