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浙江工业大学博士学位论文 1 6 m n r 钢疲劳裂纹扩展形貌和扩展路径的 试验研究与数值模拟 摘要 在石油化工、动力、航空航天等领域中，大量压力容器与各类承压设备都是 在复杂的多轴循环载荷下工作，容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展，进而导致灾 难性的破坏。因此，对疲劳裂纹扩展规律以及裂纹扩展行为预测方法进行系统深 入地研究具有重要的理论价值和现实的工程意义。 本文采取试验与理论预测相结合的研究方法，进行大量的疲劳裂纹扩展试验， 并根据目前多轴疲劳损伤准则的新成果，对i i i 型复合加载疲劳裂纹扩展行为进行 了定量准确预测。 针对1 6 眦钢不同厚度的缺口紧凑拉伸试样，进行了i 型常幅加载和过载的 疲劳裂纹扩展试验；采用半幅降载勾线法，获取i 型加载三种厚度试样的裂纹扩展 形貌。结果表明：i 型常幅加载的裂纹扩展形貌可用椭圆方程合理描述，具有“隧 道效应( c r a c kt t m n e l i n g ) 的特征；沿着试样厚度方向上，中心层裂纹前沿的疲劳 裂纹启裂寿命比表面层裂纹前沿的更短；在稳定裂纹扩展阶段，裂纹以很相似的 椭圆形裂纹形貌向前扩展，中心层裂纹前沿( 平面应变状态) 的裂纹扩展速率与 表面层裂纹前沿( 平面应力状态) 的接近相等。过载时，裂纹扩展速率产生延迟 现象，经历了滞后延迟和延迟两个阶段。对薄试样，过载延迟区裂纹扩展形貌与 稳定裂纹扩展形貌基本一致；对厚试样，过载延迟区裂纹扩展形貌表现为“q ” 形状，这与椭圆形状的稳定裂纹扩展形貌有较大差异。基于有限元分析与多轴疲 劳损伤概念，合理解释i 型常幅加载裂纹启裂三维特性及裂纹扩展形貌演化规律。 针对1 6 m n r 钢不同厚度的缺口紧凑拉剪试样，设计了i i i 型复合分步加载的 疲劳裂纹扩展试验。在裂纹扩展过程中，缺口紧凑拉剪试样始终经历i i i 型复合加 载，裂纹扩展路径不断发生改变。特别地，加载方向改变之后，处于疲劳残余损 浙江工业大学博士学位论文 伤区( r d z ) 的裂纹前沿受到先前加载步的影响，裂纹扩展路径发生了很大的转 变，此时裂纹扩展速率存在较大延迟现象，并且裂纹扩展路径逐渐向外载荷垂线 方向靠近或跨越。通过线弹性有限元应力分析，得出沿裂纹扩展路径方向上裂纹 前沿的载荷复合比，合理解释i i i 型复合分步加载裂纹扩展路径转变规律。 结合j i a n g - s e h i t o g l u 循环塑性模型和j i a n g 多轴疲劳损伤准则，运用“基于连 续累积损伤的裂纹启裂和裂纹扩展统一预测模型”，精确预测了1 6 m n r 钢i i i 型复 合分步加载疲劳裂纹扩展行为( 疲劳裂纹扩展速率和裂纹扩展路径) ，并且准确预 测了转变区内裂纹扩展方向的逐渐转变过程。j i a n g s e h i t o g l u 循环塑性模型能够合 理描述1 6 m n r 钢材料的弹塑性应力应变响应；基于精确的裂纹前沿应力应变场， j i a n g 多轴疲劳损伤准则准确评估了裂纹前沿附近的疲劳裂纹扩展损伤以及疲劳残 余损伤；基于统一预测模型，精确预测了1 6 m n r 钢i 型疲劳裂纹扩展行为，预 测值与试验结果吻合较好。 关键词：裂纹形貌，复合加载，扩展路径，疲劳损伤，裂纹扩展速率 本文得到国家杰出青年科学基金一海外青年学者合作研究基金( 5 0 4 2 8 5 0 4 ) ， 结构损伤、疲劳与断裂( 基于连续裂纹成核的疲劳启裂和裂纹扩展统一模型) 的 资助。 浙江工业大学博士学位论文 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dm o d e l i n g o ff a t i g u ec r a c kg r o w t hp r o f i l ea n d c r a c n gp a t hf o r1 6 m n rs t e e l a b s t r a c t m a n yp r e s s u r ev e s s e l sa n dp r e s s u r ee q u i p m e n t su s e di nt h ep e t r o c h e m i c a l ，p o w e r g e n e r a t i o na n da i r c r a f ti n d u s t r i e su s u a l l yu n d e r g oc o m p l e xm u l t i a x i a lc y c l i cl o a d i n g i ti sv e r ye a s yt op r o d u c et h ef a t i g u ec r a c kg r o w t ha n dr e s u l ti nc a t a s t r o p h i ca c c i d e n t si n m a n ye n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s 。t h u st h es y s t e m a t i c a ls t u d i e so nt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t h a n dt h ep r e d i c t i o na p p r o a c ho fc r a c kg r o w t hb e h a v i o u rh a v en o to n l yt h ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oap r a c t i c a lv a l u e i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h em e t h o d c o m b i n e dw i mt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r yp r e d i c t i o n i sa d o p t e d l o t so ff a t i g u ec r a c kg r o w t ht e s t sa r ec o n d u c t e d ，a n dt h en e wa p p r o a c hi s u s e dt o p r e d i c tt h ec r a c kg r o w t hb e h a v i o u ru n d e rm i x e dm o d eh is t e pl o a d i n g a c c o r d i n g t ot h ej i a n gm u l t i - a x i a lf a t i g u ed a m a g ec r i t e r i o n t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t ht e s t sa r ec o n d u c t e db yu s i n gd i f f e r e n tt h i c h n e s sn o t c h e d c o m p a c ts p e c i m e n so f16 m n rs t e e lu n d e rm o d eic o n s t a n ta m p l i t u d el o a d i n ga n dm o d e ic o n s t a n ta m p l i t u d el o a d i n gw i t ha s i n g l et e n s i l eo v e r l o a d t h ec r a c kg r o w t hp r o f i l e s f o rt h r e ek i n d so ft h i c h n e s ss p e c i m e n sa r eo b t a i n e db yu s i n gt h em a r k i n gm e t h o d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef a t i g u ec r a c ki se x t e n d e di nt e r m so ft h ee l l i p s ec u r v ec r a c kp r o f i l e u n d e rm o d eic o n s t a n ta m p l i t u d e l o a d i n g ，n a m e l y c r a c kt u n n e l i n g ”b e h a v i o u r f a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o nl i f ea tt h em i d - p l a n ei ss h o r t e rt h a nt h a to fa tt h es u r f a c e ，t h e s i m i l a re l l i p s ec u l w ec r a c kp r o f i l e sa r eo b t a i n e di nt h es t a b l eg r o w t hs t a g e ，t h u st h e c r a c kg r o w t hr a t eo ft h em i d - p l a n e ( p l a n es t r a i nc o n d i t i o n ) i ss i m i l a rt ot h a to fo nt h e s u r f a c e ( p l a n es t r e s sc o n d i t i o n ) t h es u b s e q u e n tc r a c kg r o w t hr a t ei sr e t a r d e d s i g n i f i c a n t l yb yt h ea p p l i c a t i o no fas i n g l et e n s i l eo v e r l o a d d e l a y e dr e t a r d a t i o na n d i i i 浙江工业大学博士学位论文 r e t a r d a t i o ns t a g e sa r ee x p e r i e n c e d t h ef a t i g u ec r a c kp r o f i l e si nt h er e t a r d a t i o nz o n e s a r ea g r e e m e n tw i t ht h a to ft h es t a b l ec r a c kg r o w t hf o rt h et h i ns p e c i m e n t h e r ei sa b i gd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e o m e g a ”c r a c kp r o f i l e si nt h er e t a r d a t i o nz o n e sa n dt h a ti n t h es t a b l ec r a c kg r o w t hf o rt h et h i c ks p e c i m e n b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dt h em u l t i a x i a lf a t i g u ed a m a g e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fc r a c k i n i t i a t i o na n dt h ee v o l u t i o no fc r a c kp r o f i l eu n d e rm o d eic o n s t a n ta m p l i t u d el o a d i n gi s e x p l a i n e dr e a s o n a b l y u n d e rm i x e dm o d eh is t e pl o a d i n g ，t h em i x e dm o d eu i if a t i g u ec r a c kg r o w t ha r e e x p e r i e n c e df o rt h en o t c h e dc o m p a c tt e n s i o na n ds h e a rs p e c i m e n ，a n dt h ec r a c kg r o w t h p a t ha r ec h a n g e da ta n ym o m e n t p a r t i c u l a r l y ，w h e nt h el o a d i n gd i r e c t i o ni ss w i t c h e d t oac e r t a i na n g l e ，t h ec r a c kf r o n t si nt h er d za r ea f f e c t e db yt h ep r e v i o u sl o a d i n g c o n d i t i o n t h eb i gc h a n g ei sh a p p e n e df o rt h ec r a c kg r o w t hp a t ha n dt h ec r a c kg r o w t h r a t ei sr e t a r d e dg r e a t l ya tt h em o m e n t t h ec r a c kg r o w t hd i r e c t i o n sh a v eat e n d e n c y p e r p e n d i c u l a rt oo rs p a n n i n gt h ec u r r e n tl o a d i n ga x i s t h em i x e dm o d el o a dr a t i o sa r e c a l c u l a t e db yt h el i n e a rf i n i t ee l e m e n ts t r e s sa n a l y s i s ，s ot h et r a n s i e n to fm i x e dm o d ei i i f a t i g u ec r a c kg r o w t hp a t ha r ee x p l a i n e dr e a s o n a b l y c o m b i n e dj i a n g - s e h i t o g l uc y c l i cp l a s t i c i t ym o d e lw i 也j i a n gm u l t i a x i a lf a t i g u e d a m a g ec r i t e r i o n , am o d e lu n i f y i n gt h ef a t i g u en u c l e a t i o na n dc r a c kg r o w t hb a s e do nt h e c o n t i n u o u sa c c u m u l a t e dd a m a g ei sa d o p t e d m i x e dm o d el f l if a t i g u ec r a c kg r o w t h b e h a v i o u rf o r16 m n rs t e e la r ep r e d i c t e d ，a n dt h eg r a d u a lc h a n g ef o rt h ec r a c kg r o w t h d i r e c t i o na r ea l s op r e d i c t e da c c u r a t e l y j i a n g - s e h i t o g l uc y c l i cp l a s t i c i t ym o d e li su s e d t od e s c r i b et h ec y c l i cp l a s t i c i t yb e h a v i o u ro f16 m n rs t e e l e l a s t i c - p l a s t i cs t r e s sa n d s t r a i nr e s p o n s e sn e a rt h ec r a c kt i pa r ee v a l u a t e da c c u r a t e l y o nt h eb a s i so ft h e s es t r e s s a n ds t r a i nv a l u e s ? f a t i g u ep r o p a g a t i o na c c u m u l a t i o nd a m a g ea n dr e s i d u a lf a t i g u e d a m a g en e a rt h ec r a c kt i pa r ew e l le v a l u a t e da c c o r d i n gt ot h ej i a n gm u l t i a x i a lf a t i g u e d a m a g ec r i t e r i o n t h ep r e d i c t i o n sf o rt h ec r a c kg r o w t hb e h a v i o ri n c l u d i n gt h ec r a c k g r o w t hr a t ea n dc r a c kg r o w t hp a t ha r ei na g r e e m e n t 、析mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：c r a c kp r o f i l e ，m i x e d m o d el o a d i n g ，c r a c kp a t h , f a t i g u ed a m a g e ，c r a c k g r o w t hr a t e i v 浙江工业大学博士学位论文 火 r o ( m m ) t ( m m ) a o ( m m ) a p 2 ( n ： n t a f ( m m ) 圪m 缸( k i 口1 ( r a m ) a ( n 】m ) w ( m m ) c m a k ( m p a 石m ) 8 ( f 5 1 ，2 ，3 ) a k 朗( 御a 丘) a k i ( m p a 石m ) a k ( m p 4 - g m ) 主要符号说明 应力比 缺口半径 试样厚度 外载荷作用线与缺口根部之间的距离 加载幅度 裂纹长度扩展0 5 r a m 时的加载循环次数 试验结束时的加载循环次数 试验结束时最终裂纹扩展长度 过载的最大载荷 过载之前常幅加载的循环次数 过载时从缺口根部测量的裂纹长度 从外载荷作用线开始测量的裂纹长度 试样宽度 p a r i s 公式的系数 p a r i s 公式的指数 应力强度因子范围 i i i 型复合疲劳裂纹扩展试验的加载角度 i i i 型复合疲劳裂纹扩展路径的偏斜角度 加载频率 当量应力强度因子范围 i 型应力强度因子范围 型应力强度因子范围 v i i 浙江工业大学博士学位论文 m e a 。( m m ) a m ( r a m ) 丁 e ( g p a ) y i n 喃 镁蠛( w a j m ) c + 尹 a f ( m p a ) q 。( m p a ) y d ( m j m 3 ) c r o ( m p a ) 臼 9 r a d ( m j m 3 ) 口( m j m 3 ) a d i ( m j m 3 ) 4 ( 口，缈) i i i 型复合疲劳裂纹扩展的载荷复合比 从外载荷作用线测量的表面层裂纹长度 从外载荷作用线测量的中心层裂纹长度 裂纹扩展形貌的隧道深度 弹性模量 泊松比 裂纹刚刚启裂时的加载循环次数 中心层裂纹前沿刚刚启裂时的加载循环次数 有效应力强度因子范围 裂纹闭合程度系数 正应力 剪切应力 对应于盯的塑性正应变 对应于f 的塑性剪切应变 实际断裂应力 记忆参数 塑性应变能密度 疲劳损伤 疲劳持久极限 工轴与材料平面法线在x o y 平面上投影的夹角 材料平面法线与z 轴的夹角 裂纹前沿开始的极坐标方向 每个加载循环疲劳损伤量 疲劳残余损伤量 每个加载循环的疲劳残余损伤量 鸲( 而，0 ，9 ) - x l 曲线的损伤区面积 v i i i 涩 盯 f 占 浙江工业大学博士学位论文 而( m m ) 而o ( n u n ) 蛆k ，口，妒) ( m j m 3 ) 加载方向改变前最后时刻的裂纹扩展方向 沿着五方向上裂纹前沿与r d z 边界的的距离 r d z 内材料点预先存在的每个加载循环疲劳损伤 ( d a d n ) ，( r a m c y c l e )加载方向改变前最后时刻的裂纹扩展速率 a ( 0 ，妒) a d p ( r ，p ，t p ) - r 曲线的损伤区面积 a d p ( r ，口，p ) ( m j l m 3 ) r o ( m m ) a o ( m m ) 每个加载循环的疲劳裂纹扩展损伤量 裂纹前沿损伤区域的大小 裂纹扩展长度 i x 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：涤支咯 日期：沙弦，z 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：涂a 弹 导师签名：弓幺益 日期：川年，2 月z , oh 日期：刃丫年7 a 月2 罗日 浙江工业大学博士学位论文 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 发动机、各类航天器、起重机、桥梁、管道、铁路、压力容器等各种机械设 备和结构受到周期性载荷作用，导致疲劳破坏甚至爆炸，可造成重大的人员伤亡 和财产损失。研究材料和结构的疲劳失效机理和疲劳裂纹扩展规律及影响因素， 建立裂纹扩展行为的预测模型，精确评估构件的剩余寿命，可保障机械设备和结 构在设计使用寿命内的安全运行，具有重大的工程实用价值和社会经济意义。 疲劳危险部位多处于多轴复杂加载条件，其应力状态通常是多轴的；即使仅 仅承受简单拉压加载的构件，缺口或者几何突变导致局部区域应力状态复杂化， 构件内部的初始缺陷或裂纹前沿也处于多轴应力状态。在多轴疲劳情况下，循环 应力应变关系、疲劳裂纹启裂和扩展方向、疲劳寿命和疲劳损伤累积理论等各方 面将受到更多因素的影响。实际工程结构的疲劳破坏主要由疲劳裂纹启裂和扩展 所致。疲劳裂纹启裂起源于高应力应变集中区或缺陷部位。实际承载构件均为有 限厚度体，缺口和裂纹前沿的应力场具有复杂的三维特性，有限厚度体的穿透裂 纹研究一直是疲劳裂纹扩展研究的重要问题。目前大多数疲劳裂纹扩展研究都把 实际问题假设成平面应力和平面应变两种极限情况，忽略了厚度方向三轴应力和 裂纹扩展形貌的影响，裂纹扩展行为的预测结果势必产生很大的误差。工程中许 多构件经常承受变幅载荷作用，这些情况下疲劳裂纹扩展规律也是疲劳和断裂研 究的重点问题，变幅载荷下不同厚度构件疲劳裂纹扩展形貌演化规律和理论分析 的研究少见报道。 在许多工程应用中，疲劳裂纹通常是两个或三个断裂模式的复合，即复合型 疲劳裂纹。复合型疲劳裂纹动态扩展过程中，由于裂纹前沿多轴应力状态的不断 变化，疲劳裂纹是以不自相似( n o n s e l f - s i r e i l a r ) 的方式扩展，即裂纹面不是一个 与外载荷的方向垂直、平行或成固定角度的平面，而是一个与加载历史、加载条 件和裂纹前沿应力场相关的空间曲面，仅凭经验或简单的理论分析无法预先判断 裂纹扩展路径【lj 。疲劳裂纹扩展路径和扩展速率是表征复合型疲劳裂纹动态扩展行 为的两个基本参量，二者具有同等重要的研究价值。疲劳裂纹扩展路径和扩展速 l 浙江工业大学博士学位论文 率是密切关联的，前者的精确预测是准确计算后者的前提，而裂纹体剩余寿命的 评估依赖于后者的正确描述。鉴于复合型加载下疲劳裂纹扩展的复杂性，复合型 疲劳裂纹扩展试验研究没有形成统一的标准，尚缺乏系统的复合型加载下疲劳裂 纹扩展行为的试验数据。目前大部分研究采用了复合型断裂准则( 如最大周向应 力准则、最大能量释放率准则) 和基于断裂力学范畴的p a r i s 或f o r m a n 半经验公 式分别预测裂纹扩展方向和裂纹扩展速率，但是这些基于线弹性断裂力学的预测 模型仍有很大的局限性【l - 3 】。复合型加载下疲劳裂纹扩展路径的试验研究和理论预 测的严重不足，制约了工程结构的疲劳优化设计和在役设备的安全评估。 在国家自然科学基金项目的资助下，针对g b 6 6 5 4 标准中的压力容器用钢一 1 6 m n r 钢，进行多种载荷下不同厚度紧凑试样的疲劳裂纹扩展试验研究，探索i 型常幅加载和单个过载下疲劳裂纹扩展速率和扩展形貌演化以及i i i 复合分步加 载下疲劳裂纹扩展速率和扩展路径的一般规律。采用了一种裂纹扩展行为定量预 测新方法，准确地模拟了i i i 复合型载荷条件下疲劳裂纹扩展速率和裂纹扩展路 径，为精确预测低周疲劳寿命提供一种切实可行的途径，具有非常重要的科学意 义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1i 型加载下疲劳裂纹扩展规律的试验研究 i 型加载疲劳裂纹扩展行为的研究主要包括两个方面：其一是疲劳裂纹扩展速 率的描述，其二是裂纹扩展形貌演化规律的研究。影响疲劳裂纹扩展行为的主要 因素有：应力比、加载幅度、变幅加载历史、结构或试样的几何尺寸以及它们之 间的交互作用等。 许多文献报道了应力比对不同金属材料疲劳裂纹扩展速率的影响。文献 4 8 】 研究了试样厚度为3 8 r a m 紧凑拉伸( c t ) 试样的疲劳裂纹扩展速率，发现应力比 对1 6 m n r 钢的裂纹扩展速率没有影响，如图1 1 ( a ) 所示；而对于3 0 4 不锈钢、 7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金、a l 6 x n 不锈钢和1 0 7 0 钢，随着应力比的增加，裂纹扩展速率 有明显增大；图1 1 ( b ) 表明了应力比对1 0 7 0 钢裂纹扩展速率的影响。k u m a r 等【9 】 采用了2 6 r a m 厚度的中碳钢单边缺口试样进行疲劳裂纹扩展试验研究，发现保持 最大载荷为常数时，随着应力比的增大，裂纹扩展速率下降。 2 浙江工业大学博士学位论文 0 3 0 。 矿 a k , s t r e s si n t e n s i t yf a c t o rr a n g e m p am 怩 1 k ( m p am 1 曩t 麟l n 嘶f 衲r r a n g e 1 0 0 ( a ) 1 6 m n r 钢【4 】 c o ) 1 0 7 0 钢【8 1 图1 1 i 型常幅加载下疲劳裂纹扩展速率 f i g 1 1c r a c kg r o w t hr a t e su n d e rm o d elc o n s t a n ta m p l i t u d el o a d i n g c o s t a 等【lo j 在不同应力比下进行了c k 4 5 钢三种不同厚度( 6 m m 、1 2 r a m 和 2 4 m m ) c t 试样的i 型常幅加载疲劳裂纹扩展试验，研究了应力比和试样厚度对疲 劳裂纹扩展速率的影响；结果表明，裂纹扩展速率随着试样厚度和应力比的增加 而增大。赵新伟等【l l j 进行了x 6 0 管线钢厚度分别为2 m m 、4 m m 和1 4 m m 的c t 试 样的i 型常幅加载疲劳裂纹扩展试验，表明了疲劳裂纹扩展存在明显的厚度效应， 厚度效应敏感区约在4 m m 以内，厚度大于4 m m 时疲劳裂纹扩展速率基本不随厚 度发生变化。对于两种不同微观结构的铁素体珠光体钢，k o r d a 等【1 2 1 进行了不同 厚度c t 试样和单边裂纹拉伸试样的i 型常幅加载裂纹扩展试验；发现薄试样比厚 试样有更高的裂纹闭合程度和较低的裂纹扩展速率，裂纹扩展速率随着厚度的增 加而升高；并且发现铁素体均匀分布的微观结构比铁素体岛状结构有更大的裂纹 扩展阻力，表现为较低的裂纹扩展速率。p a r k 等【1 3 】对3 0 4 不锈钢c t 试样( 厚度 分别为3 m m 、6 m m 和2 5 r a m ) 进行了i 型常幅加载疲劳裂纹扩展试验；结果表明， 薄试样裂纹前沿( 平面应力状态) 比厚试样裂纹前沿( 平面应变状态) 存在更大 的裂纹前沿塑性变形，塑性变形引起了裂纹前沿的钝化；随着试样厚度的增加， 裂纹前沿的应力状态更接近于平面应变状态，裂纹前沿钝化程度更小，裂纹扩展 速率升高。b a o 等【1 4 j 研究了两种不同钢( 1 0 1 8 和9 c k 1 m o ) 和三种铝合金( 2 0 2 4 、 6 0 6 1 和i n 9 0 2 1 ) 的两种不同厚度( 0 3 r a m 和6 3 5 m m ) c t 试样的裂纹扩展行为， 心 ” ” ” 。葛叱c_20i。墨ot。13才毫ev z 可，口可 m宣ee窘叱c；ojo苍窭oz口，e 浙江工业大学博士学位论文 发现试样厚度对1 0 1 8 钢、2 0 2 4 和6 0 6 1 铝合金三种材料的裂纹扩展速率影响不明 显；而对9 c k 1 m o 钢和玳9 0 2 1 铝合金，试样厚度使得裂纹前沿横向表面上发生 噢显的收缩，平面应力下表面疲劳裂纹行为不同于试样内部平面应变区的疲劳裂 纹扩展行为，表面疲劳裂纹存在更大的裂纹闭合程度，裂纹扩展速率减小【1 5 】。 上述研究发现三种矛盾的结论：试样厚度和应力比对疲劳裂纹扩展速率的影 响有可能增大、也有可能减小或保持不变。这表明了试样厚度和应力比对裂纹扩 展行为的影响与材料特性关系密切。 1 6 m a r 钢属于铁素体一珠光体微观结构的低合金钢，是目前最常用的压力容 器用钢之一。近几十年来，国内外投入了大量的人力物力对压力容器钢疲劳裂纹 扩展行为进行了广泛的试验研究，取得了一些阶段性的研究成果。国内有许多科 研单位对1 6 m n r 钢进行了大量相关的试验研究。任伟等1 1 酬总结了一些相关的试验 数据，包括厚度为1 0 m m 的三点弯曲试样、厚度为1 6 m m 的三点弯曲试样和c t 试样的试验数据，并且进行了厚度为1 8 m m 的c t 试样i 型常幅加载疲劳裂纹扩展 试验，p a d s 公式采用不同系数能够描述不同几何形状试样的裂纹扩展速率。杨冰 等i l 利用1 6 m n r 钢i 型常幅加载疲劳裂纹扩展试验数据修正了p a d s 公式，得出 了三个不同裂纹扩展阶段的完整疲劳裂纹扩展速率曲线。陶伟华等【l s 】对与1 6 m n r 钢属于同一强度等级的德国生产的低合金压力容器用钢兀s t e 3 6 钢进行了i 型常 幅加载疲劳裂纹扩展试验。g a o 等【1 9 】研究了1 6 m n r 钢c t 试样高应变区内的疲劳 裂纹闭合效应和裂纹扩展速率情况。章小浒等【2 0 】研究了该材料的应变疲劳裂纹扩 展特性，用循环，积分计算了裂纹扩展速率。 单个拉伸过载对裂纹扩展速率影响的研究也有很多报道。文献 4 8 研究了在 单个过载下3 8 m m 厚度c t 试样的疲劳裂纹扩展速率，发现对1 6 m n r 钢、3 0 4 不 锈钢、7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金、a l 6 x n 不锈钢和1 0 7 0 钢五种金属材料，单个拉伸过载 大大地延迟了后续的裂纹扩展速率；特别地，对1 6 m n r 钢，在延迟之前有个短暂 疲劳裂纹扩展的加速现象，如图1 - 2 ( a ) 所示；1 0 7 0 钢的单个过载延迟现象如图1 2 ( b ) 所示。m a t s u o k a 等1 2 l 】采用了中心开裂平板试样，研究了在单个过载下五种钢 ( h t 8 0 、s n c m 8 、a 5 3 3 、s u s 3 0 4 和s s 4 1 ) 、两种铝合金( a 5 0 8 3 和a 2 0 1 7 ) 和 一种钛合金( t i 6 砧- 4 v ) 的疲劳裂纹扩展速率滞后延迟现象，分析了四个影响参 数：过载比、p a d s 公式中的指数、过载影响区尺寸和在最低裂纹扩展速率时的裂 纹扩展距离。采用1 6 r a m 厚度的单边缺口2 0 2 4 t 3 铝合金试样，r h e e 2 2 1 进行了过 4 浙江工业大学博士学位论文 载疲劳裂纹扩展试验，分析过载幅度皈。和过载比对裂纹扩展速率的影响，随着 过载幅度似。和过载比的增大，疲劳裂纹扩展寿命更长。 10 k ( m p am 1 屈) s t 2 n e o s si n t e n 3 s o i t yf a 4 d o n rr 5 a o n 9 6 e 0 ( a ) 1 6 m n r 钢【4 】c o ) 1 0 7 0 钢【8 】 图1 2 单个过载下疲劳裂纹扩展速率 f i g 1 - 2o v e r l o a de f f e c to nc r a c kg r o w t hr a t e s d a m r i 等【z j j 采用厚度分别为3 m m 和1 8 r a m 的三点弯曲试样，试验研究了低碳 钢在单个过载下的延迟现象；在裂纹扩展速率短暂的延迟阶段，可观察到厚试样 撕裂后的微孔扩展；而薄试样的疲劳表面没有发现单个断裂模式，这种现象与厚 试样表面区域的现象相似。关辉等【2 4 】对a i s l 3 2 1 不锈钢的单个过载疲劳裂纹扩展 延迟行为进行了研究，过载比越大，延迟效应越显著，延迟效应作用距离远大于 过载塑性区尺寸，过载延迟行为主要由塑性诱发裂纹闭合( p i c c ) 引起的。b a o 等【2 5 j 研究了厚度为0 3 m m 和6 3 5 m m 的9 c r - l m o 钢紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展的 过载延迟行为，发现过载延迟是由表面相关的平面应力塑性变形引起的，裂纹张 开应力与过载塑性区内的平面应力变形有关，延迟循环数是与试样厚度相关的函 数。v e 咖a 1 2 6 j 研究加载变量对过载延迟参数的影响，发现延迟循环数和过载延迟区 均随着加载变量( 应力强度因子幅度、应力比和过载比) 的增加而增大，张开应 力是加载变量的函数。t s u k u d a 等研究了不同应力比下2 0 1 7 t 3 铝合金在i 型常 幅加载与过载下疲劳裂纹扩展行为，发现高应力比下疲劳裂纹扩展过载延迟行为 与低应力比下过载延迟行为不同，高应力比时，延迟之前裂纹扩展速率有个短暂 竹 伯 伸 olb芷lil_；20蔷mko(013x9，eezp，弓 9io。、e，9l仍芷c；仑o)13毋iqz口，e 浙江工业大学博士学位论文 的加速现象，随后迅速回到稳态裂纹扩展速率。s h u t e r 等【2 8 ，2 9 1 研究了碳锰钢在过 载下试样厚度对疲劳裂纹扩展速率的影响，如图l - 3 所示，表明了延迟主要发生在 平面应力状态，p i c c 是主要的延迟机理。s k o r u p a 3 0 1 归纳总结了裂纹扩展速率过载 延迟的规律：随着试样厚度的减小和过载比的增大，延迟更大：厚试样裂纹扩展 速率的过载延迟沿着厚度方向发生变化，中心层裂纹前沿的过载延迟比表面层裂 纹前沿的延迟要小；厚试样中心层裂纹前沿延迟到最小裂纹扩展速率的时间更短， 而厚试样表面层裂纹前沿的延迟与薄试样的近似一致；沿着整个厚度方向上薄试 样裂纹前沿的过载延迟行为基本相同。 d l i s 阳疗c ef r o m0 v e ，l b a d ( m a t ) 图1 3 在单个过载时不同试样厚度的疲劳裂纹扩展速率 2 8 , 2 9 1 f i g 1 3o v e r l o a de f f e c to nc r a c kg r o w t hr a t e s f o rv a r i o u st h i c k n e s ss p e c i m e n s 【2 8 ，2 9 】 文献 3 1 3 7 研究了疲劳表面裂纹的形貌演化规律与预测方法。l i n 等【3 l 】采用了 多自由度模型研究表面疲劳裂纹的形貌变化；发现在稳态裂纹扩展期间可以近似 维持半椭圆型裂纹形貌，如图1 4 所示。t o r i b i o 掣3 2 】研究了在拉伸载荷下圆棒试 样表面裂纹的形貌演化，使用三参数表达式计算了应力强度因子( s i f ) ，根据p a r i s 公式模拟了表面裂纹形貌演化。黄小平等【3 3 】分析了压应力对表面裂纹s i f 的影响， 给出了压应力影响修正系数和压弯组合应力作用下表面裂纹形貌变化的统一表达 式。胡宏玖等【3 4 j 介绍了两类预测表面裂纹疲劳扩展的形貌变化及剩余寿命预测方 法，并进行了试验验证。吴志学【3 5 3 刀采用了一种无形状约束的数值方法模拟了表 6 乏磊勺一9l匹二善90蔷乏。 浙江工业大学博士学位论文 面裂纹扩展的形貌演化和裂纹前沿s i f 的分布；模拟结果与n e w m a n 和g a j u 经验 公式预测值进行比较，并发现裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形貌演化以 及裂纹前沿的s i f 分布有明显影响。文献口8 _ 4 0 研究了j 型加载穿透裂纹的形貌演 化。b r a u c o 等帆”1 采用三维有限元法分析了中心开裂拉伸试样的疲劳裂纹形貌演 化，发现裂纹扩展分为初始裂纹扩展和稳态裂纹扩展两个阶段；在初始裂纹扩展 阶段，裂纹彤貌与起始裂纹形状有关；在稳态裂纹扩展阶段，裂纹形貌趋向于演 化成很相似的形状，如图1 5 所示：同时也研究了试样厚度和裂纹形状对p i c c 的 影响，曲线裂纹形状与直线裂纹形状相比，在自由表面上产生了更太的塑性变形。 w l 】胛1 假设沿着裂纹前沿的s 球分布为常数，模拟了中心开裂平板穿透裂纹的形貌 演化，疲劳裂纹扩展与有效s i t 有关研究了平板厚度、裂纹长度和裂纹闭合程 度对裂纹隧道( c r a c k t u m l e l i n g ) 行为的影响。 罗 j 翌 图1 4 在拉伸载荷作用下不同半椭圆裂纹的疰劳裂纹扩展形貌演化9 ” f i g1 4 c r a c ks h a l n ee v o l u t i o n o f k n i t i a u ys e m i - e l l i 州c a s u r f a c ec r a c k ss u b j e c t e d t o t e n s i o n 口 二= = z 二工= = 二= 互丁= 醋1 - 5t = 1 岫中心开裂平板试样的初始直线疲劳裂纹扩展形貌演化【强3 f i g1 - 5f a t i g u ec r a c ke v o l u t i o n o f a n i n t i a s w a i 鲫c r a c k f o r m i d d l e - t e n s i o ns p e c i m e n 【3 5 ，3 9 】 琴 一 b 浙江工业大学博士学位论文 1 2 21 型复合加载下疲劳裂纹扩展规律的试验研究 l i d a 等【4 1 】是研究复合型疲劳裂纹扩展行为的先驱者，他们采用承受循环拉压 加载的中心斜裂纹7 0 7 5 t 3 铝合金薄板，试验研究了i i 型s i f 对疲劳裂纹扩展速 率的影响。其后，国内外学者从试验研究、理论分析和数值模拟的角度，研究了 复合型加载下疲劳裂纹扩展行为。 目前，复合型加载下疲劳裂纹的扩展试验仍无统一标准，试样形式多达十几 种。对于i i i 复合型加载，紧凑拉伸剪切( c t s ) 试样和r i c h a r d 设计的复合型加 载装置最为常用，如图1 - 6 所示【4 引。加载装置上的七对圆孔对应于不同的载荷复 合比，a = 0 0 时为纯i 型加载，口= 9 0 0 时为纯i i 型加载，口介于0 0 和9 0 0 之间时 为i i i 复合型加载。a o k i 等【4 3 1 分析了裂纹沿厚度方向的启裂机理，发现随着i i 型 载荷比例的增大，裂纹首先在靠近试样表面的锐化裂尖处发生剪开型启裂，而后 在中面附近的钝化裂尖处发生张开型启裂；裂纹面上剪切唇区的形貌，清楚地表 明了从拉伸到剪切断裂的转换。s a n d e r 等【4 2 】通过改变载荷复合比大小得到了类似 的裂纹形貌，如图1 7 所示。k i k u c h i 等【4 4 】研究了应力比对启裂方向和扩展路径的 影响，发现应力比的大小与启裂角和裂纹是否分岔密切相关。f e n g 等【4 5 】采用自主 开发的光学测量系统来测量裂纹扩展长度，研究了圆形c t s 试样在i i i i 比例和非 比例复合型加载路径下疲劳裂纹扩展行为，给出了裂纹扩展路径和沿着试样厚度 方向上某些特征断面的裂纹形貌，试验结果表明加载路径对裂纹扩展行为影响很 大。田常海等【4 6 】设计了复合型裂纹断裂和扩展试验夹具及试样，提出相应的复合 型裂纹长度测量的显微镜直读比拟