（固体力学专业论文）圆柱体表面裂纹疲劳扩展的实验研究.pdf

上海交通丈拳博士学位论_ 文 圆柱体表面裂纹疲劳扩展的实验研究 摘要 骧麓现代王效童产翡发鼹移惑强度糖籽大溅设蘩断袋事鼗豹不凝盘魏。使 褥断裂力学帮疲劳毽论褥到了缀好发展鞠广泛瘫鼹。本文将主疆研究三缝表瑟 裂纹在不同循环裁荷作用下的扩展行为暇及各荦申参数静影响。 通避辩4 5 襻锻耪精三缳戮截瑟试铎燕兹缘表露裂纹程锤环撼韩载蒋箨溪下 裂纹扩矮行必霹断覆彩虢特缓实验分辑褥出：对于鬓豢攒截蕊驹表甏裂纹，尊 糖德跖控馋载耱 繁蜀下，裂纹扩展甄匿影貔特缝与裙始颈鬏| 裂绞深发商饕鹱要 的关系。循环拉仲裁祷 乍用下施翱恒定豹扭转载荷w 戳明显延缓袭蹰裂纹的扩 鼹速率，增船试样的疲劳寿命。辨爨这耪裂纹扩展的“遮滞”作用随着拽伴载 簿添发躺增搬蔼减嚣。 蒸予罐繇拉镩载蔫幸霉霜下表瑟裂纹扩震安黢礤究蒸磁上，镬爰煮限攀元法 诗算了三缭豪弱裂纹在投传裁旖豫蠲下懿瘟力强度凝予。怼予囊翦缘袭谣裂纹， 张疲劳乎立伸载祷作用下裂纹髓缘域深点她的威力强度因予总是大于外表馘的应 力强度豳予。奎裂纹扩袋戮宠袄度焉，裂纹在羚表嚣方商静扩鼹遴度越过在 深度方翔的扩鼹速度，裂纹蘸缘赣绫熬鼹率逐澎减小。警褪始旋绞蘅缘魏半圆 鹣线瓣，疲劳按传载菊终筠下裂纹蘩缘熬线上觳澡患处翁痤力强度强予黢终小 子外表聪的澎力强度因子。隧觜三维表籀裂纹的扩鼹，裂纹前缘姻线的荫率不 断变化。实际的墩力强发阂予总怒位予巍裂纹箭缘威力强度因子积攀躐形裂纹 藤缘盛力强发飘子之瓣。袈纹鼹缘藏线魏率豹交纯辩最深点b 楚豹袋力强度戳 “殉较大，蔼瓣舞表露焱处鹣疲宓强度裁予忍警没蠢嚣么影灏。 镬环翘转载祷终熙下，袭瑟疲劳裂绞酌扩熊路径与载綮大，l 、无关。嫫热静 态拉伸黻耱辩在一定程度土墩龆了表薅黢纹扩艘角，瞧韪裂纹扩展爨经仍保持 赢线。静态搬 牵载蘅搬俊了袭甏裂纹的扩展速瘦，并减少了试榉的瘢势海命。 静悫纛缭藏旖鼯裂纹扩矮黪较籁疲势寿命足乎没肖待么影骥。 在溉辘弦臻羧麓终瘸下，裂纹鹣扩鼹鼹径始终为一条馥线。控 率疲力嚣劈 韬皮力的增煳均会加速联纹的扩袋速搴。德拉伸应力粒嶷传对裂纹扩展秘疲劳 摘要 寿命的影响要大于剪切威力变化的影响。根搬不同相位差对表谢裂纹扩展影响 的结粜得到，莎= 0 情况下的裂纹扩展速率墩大，疲劳寿命最短。随着相位差 的瓒宓羹，裂绞扩展受菠逐澎增大，疲劳寿命逐澎变长。当= 对，裂纹扩震角 度鼓大，试样静疲劳寿命矮长。表面裂纹翡扩袋路径主要受控予循环载赫静援 幅，而与循环载荷的平均威力值无关。而裂纹扩展率，疲劳寿命则主要受制于 循环载荷的平均应力值。 对予表西烦斜裂纹，程循环拉停载荷形式下，表露倾斜裂纹始终沿着非皂 糖锾黪经进行扩震。藿定毯转载蕊静夔麓不寝改变爱绞兹扩震爨经，瑟登掇浃 裂纹的扩展速度。在循环掇转载荷形式下，袭丽倾斜裂纹的扩展袭现为剪切模 式。憔寇拉伸载荷的加入降低裂纹的扩展角度，加快裂纹的扩展遮度。双轴循 环载荷作用下，裂纹的扩展路径主要与拉伸威力幅度和剪切应力幅度的比值以 及鞠靛麓毒关。在嚣一耀娩羡鳃跨嚣下，羧 枣斑力蕹度窝剪韬惑力壤度懿篦篷 决定了裂纹的扩展模式。 # 院铡载蘅于# 蔫下，毋= 9 0 。时寿龠最籁。谚= 1 8 0 。对 寿命最妖。 对于先预制裂纹后渗碳的材料表面裂纹，在单轴循环拉伸作用下裂纹仍沿 饕裂纹裘恧方向进行扩震。渗碳热处理有效逡提离了材料表面强度，增妇疲劳 寿鑫。浚定捶转载蔫静麴入菠交了袭纹鞠扩震路径，扩震煮度豹夫， 、与蘧转剪 切载荷成正比，而受材料渗碳厚度的影响较小。此外扭转载荷滋延迟表面裂纹 的扩牒，增加材料的疲劳寿命。渗碳层厚度对循环扭转载荷作用下裂纹扩展路 径的影响很小。渗碳处理会有效阻碍裂纹的扩展，但是当渗碳厚度在一定范围 悫，囊予罐热疲劳强度对焱绞兹阻礴终零奎予囊予表覆脆洼霹裂纹扩震懿翻遮 作用，使得裂纹疲劳毒禽魇丽降低。恒定拉搀簸荷的加入加速表颡裂纹的扩展， 降低材料的疲劳寿命。在循环双轴载荷作用下，与未渗碳材料不同，裂纹的扩 展路径始终为一条直线，裂纹以自相似方式进行扩展。渗碳厚度在一定程度上 改交了裂纹扩展焦度的大，l 、，但是裂纹扩震仍以势切模式为主。囊予渗碳层翔 j 攀萼| 麓黔表面稳淫佼褥裂纹扩展懿疲劳楼戆茨i 搿低予未渗碳之蘸豹枣季糕经麓。 关键词：表面裂纹，直前缘，循环载荷，断裂准则，应力强度因子，有限元 多轴载蘅，扩展路径，扩展速率，疲势海命，倾斜裂纹，渗碳处理 玎 上海交逶丈学薄士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nf a t i g u eg r o w t h o fs u r f a c ec r a c k si nar o u n db a r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e mi n d u s t r ya n dt h ea p p e a r a n c eo f b i g s c a l ed e v i c e s u s i n gh i g h - s t r e n g t hm a t e r i a l s ，t h ef a t i g u et h e o r ya n df a i l u r ed e s i g na r er a p i d l y d e v e l o p e d + t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h r e e - d i m e n s i o n a ls u r f a c ec r a c kg r o w t h b e h a v i o ru n d e rd i f f e r e n tc y c l i cl o a d i n gc o n d i t i o n s f a t i g u ec r a c kg r o w t hf o ras t r a i g h t f r o n t e de d g ec r a c kw i t ht h r e ed i f f e r e n t i n i t i a ln o t c hd e p t h si na l le l a s t i cb a ro f c i r c u l a rc r o s s - s e c t i o ni ss t u d i e d e x p e r i m e n t s m a d eu n d e ra x i a ll o a d i n gw i t ha n dw i t h o u ts t e a d yt o r s i o na r ed e s c r i b e d u n d e rp u r e c y c l i ct e n s i o nl o a d i n g ，t h ec r a c kp r o p a g a t i o np a t h sd i f f e rw i t hd i v e r s ei n i t i a lf l a w d e p t h s ，b u tc o n v e r g et ot h es a m ec o n f i g u r a t i o nw h e nt h ec r a c kd e p t hr a t i ob di s l a r g e rt h a na b o u t0 5 as i g n i f i c a n tr e d u c t i o no ft h ec r a c kg r o w t hr a t e sa n da n i n c r e a s eo ff a t i g u el i f ei sf o u n dw h e nt h em o d ei i il o a d i n gi ss u p e r i m p o s e do nt h e c y c l i ct e n s i o n i ti sa l s of o u n dt h a tt h er e t a r d a t i o ne f f e c to ft h et o r s i o ni sr e d u c e d w h e nt h et e n s i o nl o a d i n gi n c r e a s e s 。 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a b o v e ，u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t s ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sa r ed e t e r m i n e du n d e ru n i f o r mt e n s i o nr e m o t e l o a d i n g d i f f e r e n tc r a c kf r o n ts h a p ea n dc r a c kd e p t ha r ed i s c u s s e da n dt h er e l a t i o n s o fs i f sa r ea n a l y z e d t h ec o n c l u s i o ns h o w st h a tt h em a x i m u ms t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r sa r ea t t a i n e da tt h ed e e p e s tp o i n to nt h ec r a c kf r o n tf o rb al o w e rt h a no r e q u a lt os o m ev a l u e d u et ot h er e l a t i o n s h i po fa s p e c tr a t i oa n dr e l a t i v ec r a c kd e p t h i sa l w a y sc h a n g e dw i 氇t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t h 。t h er e a l i n t e n s i t yf a c t o r sa r e a l w a y sb e t w e e nt h es i f sc u 2 v e so fs t r a i g h te d g ec r a c kf r o n t ( b a - - o ) a n dt h a to f s e m i c i r c u l a rc r a c kf r o n t0 a = 1 ) u n d e rp u r ef a t i g u et o r s i o nl o a d i n g ，t h ec r a c ke x t e n s i o nd i r e c t i o ni sa l m o s t c o n s t a n tw i t ht h ea n g l e0 蒯4 5 。u n d e rd i f f e r e n tl o a d i n ga m p l i t u d e s s t a t i ct e n s i o n l o a d i n gs u p e r i m p o s e dt ot h ec y c l i ct o r s i o nc a l la c c e l e r a t et h ec r a c kg r o w t ha n d d e c r e a s ef a t i g u el i f e 。h o w e v e r , t h es t m i ct e n s i o nl o a d i n gh a sav e r ys m a l le f f e c to n t h es u r f a c ec r a c ke x t e n s i o nd i r e c t i o n s t a t i cc o m p r e s s i o nl o a d i n gs u p e r i m p o s e dt o t h ec y c l i ct o r s i o nh a sn oe f f e c to nb o t hf a t i g u el i f ea n dt h ec r a c kg r o w t ha n g l e u n d e rf a t i g u et o r s i o nw i t hc y c l i ct e n s i o nl o a d i n g ，t h ec r a c kg r o w t hi sa l o n ga c u r v ep a t ha n dt h ee x t e n s i o na n g l ea l w a y sd e c r e a s e sd u r i n gt h ee x t e n s i o n t h e i l l i n i t i a lc r a c kg r o w t ha n g l ei sm a i n l yd e p e n d e n to nt h es h e a rs t r e s sa m p l i t u d e ，a n dt h e i a t t e rc r a c ke x t e n s i o ni sd e p e n d e n to nt h ea x i a lt e n s i o ns t r e s sa m p l i t u d e t h e i n c r e a s eo ft h et e n s i o na n dt o r s i o nl o a d i n gw i l lb o t ha c c e l e r a t et h ef a i l u r eo ft h e s p e c i m e n s h o w e v e r , t h ec h a n g eo fa x i a ls t r e s sa m p l i t u d eh a sm o r ee f f e c t0 nt h e f a t i g u el i f et h a nt h a to fs h e a rs t r e s s 。f o rd i f f e r e n tp h a s ea n g l e , t h ef a t i g u el i f ei st h e s h o r t e s ta n dt h ec r a c ka n g l ei st h es m a l l e s tu n d e rp r o p o r t i o n a ll o a d i n g ( = o ) w h e n 庐= 18 0 0 ，t h el i f ei st h el o n g e s ta n dt h ec r a c ka n g l ei st h el a r g e s t f o rt h e3 - ds u r f a c ei n c l i n e dc r a c k ，e v e nt h o u g hu n d e rp u r ef a t i g u et e n s i o no r c y c l i ct o r s i o nl o a d i n gc o n d i t i o n ，t h ec r a c ke x t e n s i o nd i r e c t i o nd e v i a t e sf r o mt h e i n i t i a lc r a c kd i r e c t i o na n df o r mac l l r v ee x t e n s i o np a t h 。u n d e rf a t i g u et e n s i o n l o a d i n gc o n d i t i o n 。氇ec r a c ke x t e n s i o ni n i t i a t e sf r o md i f f e r e n tl o c a t i o n so nt h ec r a c k f r o n tf o rs p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n ti n c l i n e da n g l e s t h ea d d i t i o n a ls t e a d yt o r s i o nn o t o n l ya f f e c t st h ec r a c kg r o w t hp a t h s ，b u ta l s oa c c e l e r a t e st h ef a t i g u eg r o w t h i n f a t i g u et o r s i o nl o a d i n gc o n d i t i o n f o rt h es p e c i m e n 、m t l lt h ei n c l i n e dc r a c ka n g l e 4 5 。，t h ef a t i g u el i f ei st h es h o r t e s t t h es u p e r i m p o s e ds t a t i ct e n s i o nl o a d i n gw i l l d e c r e a s e dt h ec r a c kg r o w t ha n g l e , a n da l s oa c c e l e r a t e st h ec r a c kg r o w t h u n d e r b i a x i a lf a t i g u el o a d i n gc o n d i t i o n ，t h ec r a c kg r o w t hp a t hi sa l m o s tt h es a m eu n d e r p r o p o r t i o n a ll o a d i n ga n dn o n - p r o p o r t i o n a lc i r c u l a rl o a d i n ge x c e p ta tt h eb e g i n n i n g t h ec r a c km a ye x t e n da l o n go n ed i r e c t i o nf i r s ta n dt h e na l o n ga n o t h e rd i r e c t i o n u n d e rb i a x i a ls t r a i g h tp a t hw i t hn e g a t i v es l o p e u n d e rb i a x i a ll o a d i n gc o n d i t i o n s w i 也t h es a m et e n s i o na n dt o r s i o na m p l i t u d e s t h ef a t i g u el i f ei st h es h o r t e s tu n d e r t h ep r o p o r t i o n a l l o a d i n ga n dt h el o n g e s tu n d e r t h es t r a i g 瓤l o a d i n gp a t hw i t h n e g a t i v es l o p e f o rt h es u r f a c ec r a c kh a r d e n e db yc a r b u r i z i n g ，t h ec r a c ke x t e n s i o nd i r e c t i o ni s a l m o s ta l o n gt h ec r a c ks e c t i o nu n d e rc y c l i ct e n s i o nl o a d i n g t h ec a r b u r i z i n g t r e a t m e n ti m p r o v e dt h ef a t i g u er e s i s t a n c ea n ds t r e n g t h ，a n dt h ei n c r e a s e st h ef a t i g u e l i f eo ft h es t r u c t u r e t h es u p e r i m p o s e ds t a t i ct o r s i o na l e r t st h ec r a c ke x t e n s i o np a t h t os o m ee x t e n t ，a n dr e t a r d st h ec r a c kg r o w t hr a t e ss i m i l a rw i t hu n t r e a t e dm a t e r i a l s t h ec a r b u r i z i n gt r e a t m e n th a sl i t t l ee f f e c to nt h ec r a c ke x t e n s i o np a t hu n d e rc y c l i c t o r s i o nl o a d i n ga n dr e s i s t st h ec r a c kg r o w t h h o w e v e r , w h e nt h ec a s ed e p t hi su pt o s o m ev a l u e ，t h ei m p r o v e m e n ta c t i o no ft h et r e a t m e n tw i l ld e c r e a s ea n dt h ef a t i g u e l i f e i sr e d u c e d u n d e rb i a x i a lc y c l i cl o a d i n gc o n d i t i o n 。t h ec r a c ke x t e n s i o na n g l e w i l lb ec h a n g e d 弼也t h ec a s ed e p t ha n dt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ei sa l s on o ta l w a y s i m p r o v e dw i t ht h ec a s ed e p t h 。 k e y w o r d s ：s u r f a c ec r a c k ，s t r a i g h t e d g ec r a c k , c y c l i cl o a d i n g ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r c r a c kg r o w t hr a t ei n c l i n e dc r a c k , c a r b u r i z i n gt r e a t m e n t ，f a t i g u el i f e i 二海交通大学学位论文答辩决议书 i i 嘛i 齐杨刚鹤 i l 所潜 ( i j 、| k )| i 同f 4 - 力 眨文题| |删托体发面裂纹破 y 。腱f t ：j 。典验研究 络瓣i 删 2 0 0 , 5 1 卜0 3 9 答湃地点 | l ：游交通j 、，徐“饺 彳 答辩委员会成员 扪f t m j 务碧名职稻： 卵i 在t i 作单位衙ip签托 阳安交通人学航t 航天弓力 劈爝 i 州：i ：铁。乍教授校外 学院 r 济大1 # 航t 航天与力学学 貔苁 安- !格酬教授 校外 筑 委员张若京 教授| | 琵济大学航空航天与力学学l 校外 缎割 受贤 李中华 教授8 上海交通大学工程力学系| |校内防哞堂 委员 干匿e 教授l 上海交姻大学工程力学系 校内 2 鲑。 委员会子鸿教授上海交通大学工程力学系校内 詹m 岛 西安交通大学航空航天与力 谛泓 委员申胜平教授校外 学学院 煎的翥雾凳釜翼竿嘉霎警u ；了蓑嚣磊篙攀蔫堡鬟篓嘉棠篙曩萎裳幕箫犁篙誊森囊詈呈墓蓁 筹黧雾篓翥囊鬟弃擎蓁蒺蒜笑嚣霎星翥凳高曩蠢募磊? 鬈萋耋篓磊曩点蠹霉了焉罗萎薹蚕 篙辈篓嚣凳豢羹纂乏翥荤囊龛器雾篙篙嚣i ：茎蔷筹鬈：囊轰孝至裂蓑篙翟姜募姜袅嘉筹裳 桊乏警霁耄篙蓑黧景罱篙雾釜纂挈艺擎囊翟霁雾萼萎杀萎銎嘉薹茹军装轰蒿薹需要釜誓 篙攀篙篡凳的脊薹篮尝髦蓊誓篙z 鏊雾慧嚣；磊鬈蓑瑟要多篆嚣蓑莩鐾三鬟簇薯霖 闲i 。j 子f 的禁磊冀篡尝? 耋雾嚣器荔磊嚣萋筹曩姜薹罢雾篷篙妻晶 3 鑫譬莩嘉暮磊磊荔未：； 到。, 磊翼冀磊纂亲：荤要冀纂簧墓篙耄凳霉茎嚣萎萎多置学霎纂裳霾蕃蓁舅墓鬈箨 嚣辇护器鬈篡篓篙轰妥嚣耋篓粟龛蓁篓警篙霾罢襞篙兰蔓南萎篓薹? ( j 5 萎竺；荔美l ； 戮罢凳慧举霎篙凳簇簇嘉墨黧茹鬈麓器墓篓篙荔意高霉三箍姜南 蓦篡蓑墨篓豢三蠢磊善誉笺萼繁翥豢鬈篆萎罂鬟搴箕磊纛凳! 墓霎篓爨覃荏；姜蓉 蒙篓耋学善篓嚣蓑? 4 蔫窑蓑喜兰墓娄? 券姜莩餮革篡雯器霎案：鬈墓辜鬟亲慕磊j 、晶暮 蛔题止确，经答辩委员会无记名投票t 七桨。一致同恿箕博1 ：彳：悦1 e 卫蛋粼”惩收饭。8 亡荦一认同芬谤尘翻 彳蹦瑚 咎辩委员会主席艺旅钰名) 口m 牌f f j j 弘l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，蹩本人在导师的指导下 独立遂_ 行磅究工作所取褥媳残暴。除文中已经注明弓l 用的内蜜外， 本论文不包含任何荚 彀个人或集钵已经发表葳撰写过的佟燕残暴。 对本文的研究做出重嚣贡献的个人和集体，均已燕文中以嚼确方式 标明。本人究全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴黻赭微：书毋 强期：护f 年夕肜9 嚣 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鳃学校有关保留、使用学位论文的规 定，霹意学校像整并淘藿家鸯关部门或飘擒送交论文的复印件鞫魄 子舨，允许论文被套阅和借阑。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全罄或部分内容缡入骞关数据麟进行检索，可以采溺影 印、缩印或扫描等复镧手段僚存帮汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书a 本学位论文属于 不保密图。 ( 漪在以上方稚内打“4 ” 搔导教爨签名： 日期：( 年o 月2 - o 圈弦 扣 鏊 月 签 p 考 麟 ，年 划沦 ： 寝 鹈 学 曰 上海交通大学博w 士学位论文 第一章绪论 随着现代工娥生产的发展，离强度材料的大型设备褥到了广泛的应糟。在 很多工业设备孛，翅压力容器、转势平台、石浊管道、飞机起落架等都会发生 断裂事故。很多此类的事敞主要原因都是由于表面裂纹扩展引起的。构件的表 甏裂纹绘裳产释搜耀都繁采7 极大藜盏骞，放蠢擦凌了对表蘧裂纹理论静疆究 和发面裂纹断裂参数的测试和探索。 由予工程实黼摘侔中大量表谣缺陷静存在，程疲劳徒复载蘅作用下会不断 扩展丽引起断裂事敞，因此研究淡面裂纹理论及其应用徽有实际价值。淡面裂 纹是三维裂纹问鼷，难度较高，解析解很难得到，至今仍是断裂力学中尚未完 全勰决的翊题。 表面断裂力学的研究不仅需骥分析袭面裂纹扩展的规律性，还需要通过分 橱表露裂纹蓠缘黔透鹃瘟力、应交鞍瘟力强度嚣予绫及溺定表露袈绞试传瓣繇 裂参数，建立断裂准则。并通过研究可以确定构件的取材，所允许的最大初始 表蔺裂纹尺寸，话箨构僻静疲劳寿命、剩余强度等，鼠丽措导工程实际的生产， 僳证构件的安全。 l 。1 三维表露裂纹麓化模型 表蟊襞纹阕瑟耩予三维袭绞蠲逶，穰簿子二维袈绞犷震魏分辑，求解曼麴 困难，对于表面裂纹的分析和求解至今仍没有找到精确解。近几十年来，人们 广泛采用交替叠加法、边界积分法、有限单元法、体积法和有限差分法簿获褥 羞于数值解，并舅在工程中进行了实际应用。但是近似解在精度和应用范围上 都经常受到一定限制，因此一些学者仍致力于三雅裂纹的理论解研究。 表露裂纹理论分扳主要毽窘透令方瑟鹣蠹餐：( 1 ) 应力强发困子髫豹求 解；( 2 ) 裂纹扩展规律的描述。丽研究一般应力状态下的裂纹理论问题，通常 采翔连续食矮摸黧，其中熬裂纹霹其套慕矬三缝澎捩。怼予三缭表覆裂纹魏磅 究，通常肖两种形式的裂纹情况；一种感针对无限厚度或有限厚度板上的三维 第一掌绪论 表面裂纹闷题，另外一种是圆柱体表面裂纹问题。 图1 ，1 给出了含有表面裂纹的平板模型( 图1 1 a ) 以及圆截面模型( 图 1 1 b ) 。在嶷际的研究中，通常将平板上表面裂纹的形状简化为半劂形裂纹 ( b a = 1 ) 和拳糖圆形裂纹( 0 b a 1 ) 。丽对予嚣截鬻缮构土豹表蘧裂纹，叠蓠 磺究较多的必三耱情猛：壹蘩缘袭嚣爱纹( 鹜l 。2 a ) ；拳滔形表莲裂纹( 鬻1 2 b ) 以及半椭圆波面裂纹( 图1 2 c ) 。 ( a )( b ) f i g u r e1 1 ：3 - d g e o m e t r i c a l m o d e l w i t hs u r f a c e e m e k 国s u r f a c ec r a c k e dp l a t eg e o m e t r y ；s u r f a c ec r a c k e dc y l i n d e rg e o m e t r y 圈1 1 ：岔三缝表嚣裂纹幻尼俺模整 厂、 1d lc c k 狲| | 、 ( a ) s t r a i g h t * e d g e( b ) s e m i - c i r c u l a r ( c ) s e m i e l l i p t i c a l f i g u r el 。2 ：t h es u r f a c ec r a c ks h a p e si nc y l i n d e rb a r s 图l 。2 ：溅槛俸表蟊裂纹戆篱纯貘型 1 2 表丽裂纹应力强度因子 2 上海燮通大学博士学位论文 带表丽裂纹的构件受力时，产生一定的位移、应变和应力场。因为断裂力 学瓣主要磷究辩象楚裂绞懿犷凄鞠壹裂等瀚蘧，鬣就鏊兴趣鹃是袈绞蒋缘弱变 形场。与二维裂纹相似，根据受力和变形方式的不同，表面裂纹也可以分为张 开麓( i 蝥) 、滑移漤( 黧) 和新开型( 硪型) 三种断裂模型。 对于袭题裂纹i 型应力强度因子的求解闯题，由于半椭豳表躐裂纹周边的 应力分布是一个三维弹性问题，目前还没谢精确的解析解，i r w i n j 于1 9 6 2 年根 器g r e e n 粒s n c d d e n 2 菱成力分攒提出了承受均匀控 枣载褥无疆大弹蛙体疼痛 平椭圆裂纹在短轴端点处的虚力强度因予近似解。但是研究中简单地应用= 维 瓣戆串有隈宽板双边穿透裂纹稻露隈宽投中心穿遴裂纹在裂纹端赢静应力强度 因子来近似求解修正系数m ，= 伍，b 边裂垃( k ；) 申薪裂蚊。其假设比较粗糙，_ i 厦似结 栗便宜安全。此后，诲多学者对i r w i n 公式进行各种修正，以扩大其应用范围， 提离各种理论的、缝验的修延系数，绘出照搬糖确豹结果。p 3 r i s s 癌3 1 在i r w i n 解的基础上，考虑了前自由表面修芷系数肘随着椭圆裂纹形状的变化，并借用 孛心穿透裂纹弹蛙解豹霉发修歪系数，绘掰了嚣囟峦表瑟瓣嫠歪m ，。k o i t e r 4 1 ， k o b a y a s h ie 引，h a r t r a n f t 和s i h t 6 1 ，a n d e r s o ne ta 1 7 l ，i s i d ae ta 1 【8 等人也对m ，、m ， 送行了遴一步静穆蔗。n e w r n a n t g l 颗j 7s m i t h 和a l a v i 韬l ，r i c e 帮l e v y 1 班及 g r o s s 和s r a w l e y 1 2 q 3 在一定范围内所得的修正系数表达式，并根据这些终果进 行拟台得到一个广泛使用嚣的修正系数袭遮式。此外k o b a y a s h i s , 1 4 1 ，s m i t h 1 5 - 1 6 采用交替法，r i c e 季霹l e v y 1 采用线弹簧方法，c u r s e t 3 采照边雾元方法 魏对应 力强度园子的计算进行了研究。 表瑟裂绞穆歪蓉数程黩力强度濯子毽鞋逶懑实验求褥，麴蘩线法 1 8 j ，光 弹测试法【1 9 】等。但是由于对于三缀表面裂纹问题，试验测照的难度较高。误差 较大，因就较少被傻雳。 有限单元法是求解表面裂纹前缘应力强度因子有效的数值方法之一。有限 元方法已经用于表面裂纹前缘应力强度因子的计算，并用于研究裂纹形状、裂 纹尺寸翻援宽对应力强度嚣予豹影晌1 7 - 1 1 2 5 1 。 对于圆柱体表面裂纹威力强腱因子公式的研究近年来日益受到人们的重 援，密予骚柱傣魏馋( 魏糕拴、链锊等) 旋工程中镬瘸 攀广泛，嚣嚣对予蛰 柱体表面裂纹的研巍更具裔实际意义。出予问题的复杂性，相对于平板袭厕裂 第一章绪论 纹，落镶俸表露裂绞靛痤力强度因子蹩难求褥，登今仍来菝蜀稽确解。因魏一 些学者利用实验方法或者j 艟似分析方法( 如有限元法、边界元法镣) 以便找到 近毅解邀抒磺究魄较。麴r a j u 粕n e w m a n 2 6 - 2 7 予1 9 8 6 年给窭了瓣挫搭表鬻裂 纹在拉伸和弯曲载荷下得威力强魔圆子公式，冀修正系数以表格澎式给融。 f o r m a n 秘s h i v a k u m a r 【2 8 】瑟踅瓣按驽缝合下应力强覆嚣予遗季亍7 磺究。瓣瓣 b u s h 2 9 3 0 | ，d a o u d 轧1 ，s a l a h ( 3 2 1 ，p i c k a r d ( 3 3 1 ，c a s p e r s 幂廿m a t t h e c k l 3 4 l 及一熄学者 3 5 - 4 9 也剥用商嫩纂元法，实验黍波法，体邈数法等错究了躐柱体表面裂纹的i 激应 力强度闲予。其中c a 带i 鼬蔽脚删鲻瓣挝 聿帮弯瑟载蒋终用下l 壅表滋裂纹静扩 展进行了详尽的分辑和讨论，毡括纛裁缘表露裂纹4 4 a 7 】以及半圆裂焱西裂绞期 半椭圆形裂纹前缘【4 5 , 4 s 。在分析中德采用双参数模塑髑三参数模型来代表不闭 的断面形貌以计簿裂纹前缘的应力强度因子大小，对裂纹扩展过稷中的应力强 塞鍪予缨浆避簿院较莠绘窭羧会公式。既努魄瓷瓣遮咒卡年来嚣裁甏装嚣袋绞 的扩展行为和虚力强度因予的计算进行综述分析和阐述榉】。 对予袭嚣袭绞受剪韬戴撼转载赫律雳下懿三维裂纹阔越繇究较少。由予装 纹扩展形式多样，且常常出现分支裂纹，给分析和计算带来很大豳难。在早期 豹研宠中，s e g e d i n l 鳓 发表了潮澎裂纹受均匀剪甥癍力彗寸豹鼹。w e s t m a n t 5j 对羁 一问题墩进行了分柝和研究。e s h e l b y l 5 2 1 对无鞭体中带撩瞬裂纹的熬律了讨论。 k a s s i r 繇s i h 【5 3 1 飨无疆锩巾受链键方岛均匀熬谈懿辘懑爱绞熬簿。键嚣l 磺究 了靠近裂纹边缘的应力场，释出沿裂纹边缘以憾麓为函数的i i 型和i i i 型殿力 强度因子。对予簿限平板内袭面裂纹受剪切载旖威力强度因子的求解通常则根 据无限警檄中裂纹翡撵往勰酾拳窆阙溺踅翁解稻髑交警方法遘章亍求籍f 矧。近年 来，一燧学者刹髑数值近识方法对三维裂纹尖璐成力强发因子进彳予了计算，如 t h o m p s o n 5 5 5 6 1 对圆柱俸表西耧纹在挠转载荷律爝下的陂力强度嚣予进行了有 限元分祈，给出了具有特怒断面形貌特征的裂纹前缘受翦切作用时的应力强度 霹子。l e v a n 帮r o y e r 5 7 】迄瓣壤截嚣缝稳表嚣襞绞在拉枣、夸鏊黟援转溃凝下 的裂纹前缘成力强度因子避行了数傻模拟，并对意裂纹前缘、半圆形裂纹前缘 竣及半撩疆澎裂纹蔫缘分甏遂稃了磷究帮跑较+ 毽敬主分析哭考虑了特定袋纹 形状下的i i 型和i i i 型应力强度因子，对裂纹裰最初扩展阶段有效。因为波面 裂纹在懿锶域扭转作用下弱窳涨扩袋每，裂纹鞭蕊往往不是潺羞蘩蕊予试传懿 4 上海交通大学博j = 学位论文 轴线方向，因此对于后继裂纹前缘的应力强度因子很难求得，通常需要知道表 嚣裂纹扩震在菜一辩藜黪叛嚣影状。嚣兹大多数赞鼹珏爨耱疆麓表瑟裂纹痊 力强度因子的计算仍沿用一些早期的计算结果，如p o o k l 5 8 5 9 1 ，t a d a 6 0 1 ， m u 蹦( 勰所给国的计冀等。 1 3 表嚣裂纹扩展攥律 在常瓣的安全寿命设计中，辩莱婆重簧懿承黢梅律，帮使壤器疲劳强度投 限给予安众系数进行设计，构件农使用过程中有时仍会过早地发生意外破坏。 这是由于测定材料疲劳特性所用的试件与实际构件之间有些根本的差剐所造成 豹。构件巍加工制造和使愆过程中，会困锻造缺鹅、焊接裂纹、寝亟划痰、和 腐蚀等造成表面或内部裂纹。存张裂纹的构件，程承受交变载荷作用时，裂纹 发生扩震，扶瑟导致稳穆突然叛裂。嚣我，零歆擒 孛中裂纹匏存在，芽在实骣 中考虑裂纹在交变载荷作粥下的扩展特性，将是疲劳设计和分析中的一个重要 发展途径。 研究裂纹在交变载荷作用下的扩展规律，是对传统疲劳试验和分析方法的 一个重要补充和发展。疲劳条俘下的亚晒莽裂纹扩震速攀，是决定构俘裂纹扩 展痔命的季誓性指标之一，并为“破损安全”设计所采用【6 2 】。 1 3 。1 表疆裂纹扩展速率 表面裂纹扩腻规律的研究主幕包括两个方面的内容；一是裂纹扩展速率的 撼逐；二怒裂纹扩展形状变纯蕊撵戆硬究。慰予袭嚣裂纹豹扩展速率，零期文 献由于采用不同的研究方法得到的应力强度因子结果不同，因此所得结论也存 在定豹麓异2 鹳】。近年来随着实验磷究瓣迸一步发展秽有限元技零静蔽蔫， 应力强度因子的求解基本上得到了比较一致的结祭。针对裂纹扩展速率的描述， 目前国内外学者大多仍采粥p 撕s 公式来籀述f 6 4 l 。这主簧是由予该公式简荤， 适用于工程计算。 对于三维表面裂纹，通常研究裂纹沿着表面和深度两个方向上的扩展情 况，因毖程两个方肉上的扩展逮攀震要攀独表示，利用p a r i s 方程通常可以表 示成【6 5 】： 纂一章缝谚 d a d n = c 。( 斌。y 。 d b d n = c d 恤6 ) ( 1 - 2 ) 其中，群鞠c 分别为裂纹的深度方向和表面方向的长度：c 。和c 。，n 。靼拜。 分臻为深度鞠爱瑟方自主懿奉| 辩鬻数；a k 。移a k 。必疆个方囱上裂绞蘩缘懿瘟 力强度因子。 一些学潜在研究表面裂纹扩腰速率时，采用实验相近似计算的方法，根据 裂纹在深度和表面两个方向上的形貌特征确定两方向上裂纹扩展速率之间的关 系猹5 6 9 。瓣予越搏窝弯夔载麓傍羯鑫及秀者组仑终瘸下表嚣裂纹在涤发零表 面两个方向上的扩展速率，n e w m a n r a j u t 2 秘，f l e c k - s m i t h t 嘲和j o l l e s 7 1 等人通 过实验和分析发现它们具有如下的关系： d a d = c ( o 9 a k ) ” ( 1 - 3 ) 曲豫n = c 逝b ￥ 1 - 4 ) 此外，c a r p i n t e r i 7 2 - 7 4 1 和l i n l 7 5 - 7 6 j 还针对圆截面袈筒裂纹在i 型载椅作用下 的扩展行为以及形貌变化进行丁宥限元自动模拟研究。f o n t e 和f r e i t a s ”1 在研 究循环弯曲藏荷作用下，静态摁转力矩的加入对半椭涸形表面裂纹疲劳扩展的 影瞧霹发臻，戆妻羹剪讶盛力臻嚣城，l 、袭绞嚣扩震蘧率，有效遗撩裁了袋绞簿疲 劳断裂。y o u 帮l e e f 7 8 也对这一域象进行了研究和 尊论，荠在裂纹扩鼹遴率中 引入裂纹表颥之间的摩擦参数。 在i i 型和i i i 型载荷作用下，三维表面裂纹的扩展方向通常与裁荷方向成 定蹙度 7 9 - 8 1 】，辑嚣形貌也不援摊，嚣姥研究中一般只考虑裂纹在表麟上豹扩 展速率8 2 礤l 。扩展速率逶零餐袋躅p a r i s 公式寒攘述，甄裂参数霹傻麓庭力强 度因子7 * 8 4 斌j 积分 8 5 】。z h a n g 和a k i d t 8 6 1 对疲劳掇转载荷作用下施加憾定拉伸 压缩载荷的影响进行了分析。他针对两种不同性质的材料进行实验研究，结果 发现两种材料靛裂纹扩展模式究念不同，拉伸压缩载旖对裂纹扩展遮率的影响 取决子爱纹豹扩溪方淘。 在表瑟裂纹扩展的实验研究中，对予拉伸和弯曲疲劳载荷作用下的扩展速 率通常可以使用勾线法、宜读法和复型电镜法进行测量。而对于扭转疲劳载荷 作用下的裂纹扩展，往往使用畿读法测量裂纹在表筒上的扩展情况。 6 上海交遥丈学媾圭学短论文 i 3 2 表谳形貌的变化特征 裂纹形状的变化规律反映了袋面裂纹在深度和表面两个方向扩展速率的 相互关系，聪此对于研究裂纹扩鼹速窭和材料的疲势淹念也是十分重要的。由 于表嚣爱绞旋薅个方自懿疲劳扩袋速率均可骧采瘸p a r i s 公式稻n e w m a n r a j u 应力强度因子来描述，所以裂纹形状变化觌律也可以通过它们进行描述。例如 对于疲劳于立伸或疲劳弯曲载荷作用下，由公式( 1 - 3 ) 和( 1 - 4 ) 可得 d a d b 。( o 。9 戤，殇) 4 ( 1 5 ) 困_ l 逄只要诗箨密表瑟裘绞焱嚣蔗帮a 点处赘疲力强发嚣予藏霹激接述窭爱 纹的断面形貌特征。 许多学者都针对平板表面裂纹和圆截面体表面裂纹扩展过程中的形貌变化 进行了研究，其中以半椭圆表筒裂纹的分析居多 6 5 - 6 9 , 8 7 - 9 2 】。在半椭圆袭颟裂纹 豹扩震中，裂绞夔