疲劳裂纹的扩展规律和最新研究进展

1、疲劳裂纹的扩展规律和最新研究进展朱晨, 王伯健(西安建筑科技大学, 陕西西安710055摘要:疲劳裂纹的萌生以及扩展对于零构件的安全使用存在着巨大的潜在隐患, 对于广大从事材料研发工作的技术人员来说, 掌握疲劳裂纹扩展的基本规律, 了解国内外疲劳裂纹扩展的最新研究进展是非常必要的。本文概括了疲劳裂纹在近门槛扩展阶段和高速扩展阶段(Paris 区 的扩展规律, 总结了近年来国内外学者在这2个扩展阶段的最新研究进展, 结合近年来飞速发展的计算机技术, 概述了计算机模拟技术在疲劳裂纹扩展研究领域中的广泛应用。关键词:Paris 公式; 应力强度因子; 裂纹扩展速率; 裂纹扩展门槛值中图分类号:T H

2、 114文献标志码:AThe R ecent R esearch on the F atigue Crack G row th La wZHU Chen , WAN G Bojian(Xi an University of Architecture and Technology , Xi an 710055, China Abstract :The initiation and growth of the fatigue crack is a great hidden danger to the of the mechanical ele 2ments , to the researchers

3、 who are working in the material field , it the law to the fatigue crack growth and the latest found of this area. This paper crack growth , espe 2cially on the stages of Paris zone. After that this about the fatigue crack growth at home and abroad. Finally , the use of summarized.K ey w ords :, Cra

4、ck growth rare , Crack growth threshold焦点, 特别是零件、构件大型化、精密化的趋势, 迫使人们加强了对零构件疲劳损坏的进一步研究。这些研究主要集中于疲劳裂纹扩展的近门槛阶段以及高速扩展阶段, 这是由于材料在最终断裂阶段的疲劳裂纹扩展速率很高, 这一阶段的研究相对较少。升高, 当疲劳循环的最大应力强度因子K max 接近材料的K IC 时, 裂纹扩展速率急剧增加, 最终导致构件断裂。2疲劳裂纹扩展的研究进展近年来, 国内外学者在疲劳裂纹扩展方面的研究主要集中在近门槛扩展区和Paris 区。另外随着计算机技术的发展, 利用软件对疲劳裂纹扩展进行数值模拟也是一

5、个新方向。2. 1近门槛扩展区1疲劳裂纹扩展的规律了解疲劳裂纹的扩展规律是进行疲劳裂纹研究的基础环节。疲劳裂纹在扩展过程中分为3个阶段:近门槛扩展阶段、高速扩展阶段(Paris 区 和最终断裂阶段。在近门槛扩展阶段, 疲劳裂纹的扩展速率很小, 疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子范围K 的降低而迅速下降, 直至d a /d N 0, 与此对应的K 值称为疲劳裂纹扩展门槛值, 记为K th 1; 在Paris 区, 疲劳裂纹扩展速率可以用Paris 公式来定量的进行描述2。m=C (K d N其中, C 和m 是试验确定的常数。经过研究发现, 大部分材料的m 值约为243。颜鸣皋的研究发现, 显微组

6、织、平均应力、试样的表面状态等都是影响疲劳裂纹扩展的因素4。在高速扩展区, 随着K 的提高, 裂纹扩展速率在近门槛区, 研究的热点集中在对于疲劳裂纹扩展门槛值K th 的研究。文献5指出, Mc 2Clintock 在1963年最早提出了存在裂纹扩展门槛的观点,Frost 于1966年用试验证明了存在疲劳门槛值的观点。疲劳裂纹扩展的门槛值K th 是一些重要部件设计的依据, 它对于不同的试验参数比较敏感, 文献6指出疲劳裂纹扩展门槛值受到诸如强度、应力比、环境介质、材料的热处理状态、显微组织等因素的影响, 是材料的一个比较敏感的性能参数。何子淑等人7通过对35SiMnMoV 复相钢的常温疲劳试

7、验研究和GH4049镍基高温合金的高温疲劳试验得出结论, 常温下疲劳长裂纹在高应力比下的扩展门槛值要比低应力下的扩展门槛值低; 同一应力比下的高温疲劳长裂纹, 温度越高, 其门槛值越低, 高温下疲劳短裂纹在低于疲劳长裂纹扩展门槛值的情况下也能扩展。于慧臣在文章8中研究了带环状预裂纹不锈钢圆棒试样在循环扭转载荷下、门槛值附近的疲劳裂纹扩展行为并发现:门槛值附近的扭转疲劳裂纹断口主要呈现为凹凸不平形态, 但在凹凸不平形态裂纹形成之前, 首先从预裂纹尖端形成与晶粒尺寸相当的平坦形态的疲劳裂纹, 疲劳裂纹扩展速率随裂纹长度的增加而减少, 特别是在载荷较小时, 其原因为裂纹面的相互滑移接触。于慧臣在另外

8、一篇文章9中研究了带环状预裂纹奥氏体不锈钢圆棒试样在循环扭转/拉伸复合载荷下, 门槛附近的疲劳裂纹扩展行为, 推导出了复合载荷下, 疲劳裂纹扩展开始的门槛值条件表达式:22+=1K K th th K th 分别为, 式中, K 型载荷下裂纹扩展th , 开始门槛值。此公式亦可在裂纹尖端位移准则基础上导出。并认为复合载荷下裂纹扩展停止的门槛条件可相似地用椭圆方程表达, , 一定长度后, 。田常海10的研究表明复合裂纹扩展试验门槛值试验点与主应力强度因子理论门槛值曲线基本符合, 应用主应力强度因子门槛值理论判定复合裂纹扩展是安全的, 在裂纹扩展不出现小平面情况下, 复合型裂纹主应力强度因子门槛值

9、与型裂纹门槛值的比值介于0184和0165之K 1th 间, 其拟合曲线可近似表达为1th =1. 18朱知寿11通过试验比较了TC4_DT 和TC4钛合金的疲劳裂纹扩展抗力, 发现由于TC4_DT 具有优异的损伤容限性能, 在相同的组织类型、应力比条件下, 特别是在低速扩展区或近门槛区, 前者具有更好的疲劳裂纹扩展抗力。2. 2Paris 区Paris 区是疲劳裂纹高速扩展的阶段, 要想准确和低温(-50 低周疲劳裂纹扩展速率, 发现在这2个温度下疲劳裂纹的速率是一致的, 因此可以统一使用室温试验数据, 并且估算出了蠕墨铸铁的低周疲劳扩展速率, 为评估高速列车蠕墨铸铁制动盘寿命提供了理论依据

10、。高彩茹14等人采用PL G 2100高频疲劳试验机, 在试验频率为80Hz 条件下, 应用三点弯曲法对400M Pa 超级钢板进行了裂纹扩展速率试验, 描绘了d a /d N 与应力场强度因子K 关系曲线, 并用Origin 软件对其进行拟合, 得出Paris 方程中的系数C =9. 4×10-12mm/次, m =4. 47。Hassan Alizadeh 15等学者通过三维空间的有限元分析, 从塑性诱发裂纹闭合的模型中得到了裂纹尖端应力场分布, 得到的应力场分布可以用来估算应力场强度因子范围, Paris 公式得。Marcin Ciesiels 2ki 飞行条件下的lower

11、, 通过疲劳试验分析了铆钉结合处断口的显微组织, 拟合了微观机制分析下的d a /d N 曲线, 同时通过宏观的测量方法对d a /d N 曲线进行了拟合, 对比2种方法后得出结论, 在对真实结构件的疲劳分析时, 宏观测量法比基于断口显微组织分析的方法更接近于材料实际的疲劳裂纹扩展速率, 而且更加省时省力, 对于已有微裂纹萌生的飞机安全服役寿命预测更加准确。Kujawski D 17在考虑了材料的循环加载性能、温度、环境的因素后, 提出了一个包含K 和K max 的影响裂纹扩展驱动力的新参数K 3, 并定义其表达式为 3+(1-K =K max (K 是一个与材料性能有关的相关性参数, K +

12、式中,=K , R 0; K +=K max , R 0。并认为这个参数可以有效地预测不同应力比对于疲劳裂纹扩展速率的影响。Sudip Dinda 18等人通过在实验室里对中碳结构钢、球墨铸铁等10种材料的试验分析, 检验了Kujawski D 所提出的理论, 并将所得结果与通过Elber 的应力强度因子幅K eff 得出的结果做了对比, 最后认为K 3在预测应力比R 对疲劳裂纹扩展速率的影响方面更有效。王文健19利用M TS 试验机, 在常温下研究了PD3和U71Mn 2种钢轨, 并由Paris 方程确定了2种钢轨的疲劳裂纹扩展速率, 结果表明, 这2种钢轨的疲劳裂纹扩展速率曲线符合一般疲劳

13、裂纹扩展规律,PD3钢轨的强度优于U17Mn , 但扩展速率高于后者。刘文娟20等人用紧凑拉伸试验研究了不同得到材料在已有微裂纹萌生情况下的安全服役寿命, 关键在于如何确定材料的疲劳裂纹扩展速率。周道祥12通过试验研究了16MnR 钢在载荷控制和位移控制下的疲劳裂纹扩展速率, 发现2种方式获得的应变疲劳裂纹扩展速率差异明显, 位移控制裂纹应变疲劳扩展速率要远高于同种材料载荷控制下的裂纹扩展速率, 前者比后者高2个数量级, 并发现裂纹的扩展速率与疲劳循环过程中的变形功大小相关, 塑性压缩变形能越大, 其应变疲劳扩展速率越低。汤晓华13等人研究了蠕墨铸铁在室温(25应力比和超载比对X52管线钢疲劳

14、裂纹扩展速率的影响, 并对疲劳断口形貌进行了SEM 分析, 得出了拉伸超载有阻滞X52钢疲劳裂纹扩展的作用, 使疲劳裂纹由超载扩展、减速扩展和恢复扩展3个阶段组成, 在恒定的应力比下, 超载比越大, 裂纹扩展的阻滞效应也越明显, 超载前后形貌差别越大。何晓21等人研究了载荷比对含氢Ti 24Al 22V 钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响, 发现载荷比对含氢的该种材料的裂纹扩展速率有明显影响, 载荷比降低,d a /d N 曲线向高K 方向移动, 并逐渐不出现疲劳裂纹的扩展阶段。于兰兰22等人研究了温度对TC4_DT 损伤容限型钛合金的疲劳裂纹扩展速率的影响, 得出在中速及高速扩展区, TC4_DT

15、 合金温度升高会降低疲劳裂纹扩展速率,150的试验具有较低的疲劳裂纹扩展速率。王新南23则研究了锻造工艺对该类钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响, 认为TC4_DT 经准锻造后可得到损伤容限性能优异的网篮组织, 准径的曲折程度大, 人的研究发现, 3. 5%NaCl 速率显著高于长裂纹, 都呈“马鞍”型特征, 介质的加入使短裂纹扩展速率和最大短裂纹长度提高, 但缺口状态不同, 扩展机制不同。蔡建明25等人的研究发现, Ti 26Al 24V 和它的改进型SP700钛合金具有基本相同的波浪滑移疲劳断裂特征, 因SP700合金具有更细小的晶粒、低的Al 含量及高的强度, 表现出了更低的疲劳裂纹扩展速率。

16、P. Lef ranc 26通过对Ti6242的试验得出结论, 当循环加载到最大时, 应力峰值保持周期的引入导致了疲劳裂纹速率的增加, 扫描电镜发现当应力峰值保持周期出现的时候, 裂纹尖端的应变加速会触发一种破坏机制。而唐志平27等人研究了氢对Ti 22Al 22. 5Zr 钛合金的疲劳裂纹扩展速率的影响, 发现氢含量越高, 开始发生疲劳裂纹失稳快速扩展的应力强度因子范围越低。含氢270g/g 的试样在较高K 时裂尖附近发生氢化物开裂, 降低了材料的断裂韧性, 导致裂纹失稳快速扩展所需的K 比低氢含量所需的K 小。2. 3疲劳裂纹扩展的数值模拟Paris 疲劳裂纹扩展规律为基础, 并在裂纹扩展

17、增量计算中考虑了裂纹闭合的影响, 建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法, 分析和讨论了采用1/4节点位移法计算SIF 可能影响计算精度的几个主要问题, 并将该方法同其他方法做了对比, 得出结论1/4节点位移法仍是最优选择。吴志学29在另一篇文章中, 仍然根据Paris 公式, 对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟, 并将模拟结果和Newman 及Raju 经验公式预测结果进行了比较, 表明所采用方法的实用性, 并发现裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF 分布有明显影响。庄力健30等人建立了一种基于疲劳损

18、伤理论, 开发了相应的, 16MnR 钢循环塑性, , 两者非常吻合。试验结, 在裂纹扩展稳定阶段, 平面应力条件下的薄试样应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。金志江31等人通过数值模拟法对共面裂纹疲劳扩展的干涉进行了研究, 发现在共面裂纹扩展的早期,3个裂纹的扩展几乎是独立的, 但到它们之间的裂纹前缘接近到一定距离后, 开始产生相互作用, 使2条共勉裂纹逐渐合并成一条长裂纹, 然后以一条长裂纹的规律向前扩展。姜风华32等人采用Prandtl 2Ruess 本构方程建立数学模型, 考虑材料硬化和裂纹开闭现象, 用累积等效塑性应变坐位控制裂纹扩展参数的方法成功模拟了疲劳裂纹扩展的几个经典现象。研究

19、了稳定扩展、超载迟滞、应力比R 对疲劳裂纹扩展速率的影响, 得到的结果符合一些Paris 修正公式的预期结果。3结语本文从疲劳裂纹扩展的规律开始, 概述了近门槛区、Paris 区以及人们利用计算机数值模拟进行疲劳裂纹研究的进展, 综上所述, 近几年, 疲劳裂纹扩展的研究发展迅速。1 在近门槛区, 研究了在不同温度、不同加载条件下的复合型疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素, 推导了复合载荷下疲劳裂纹扩展门槛值的表达式, 并且发现主应力强度因子门槛值理论判定复合裂纹扩展是安全的。2 在Paris 区, 针对不同材料应用不同的方法对疲劳裂纹扩展速率的数值进行计算, 研究了不同数值模拟也叫计算机模拟。人们通

20、过建立数学模型、确定计算方法、编程计算等步骤来模拟真实的物理试验, 同样可得到需要的数据和逼真的图像信息, 节省了大量的人力物力。吴志学在论文28中以三维有限单元技术和的变形功、温度、应力比、载荷等因素对于裂纹扩展速率的影响, 拟合了微观机制下的d a /d N 曲线。3 应用不同的模拟方法对于疲劳裂纹扩展中的数值进行验证, 得到了与通过试验所得相符的结果。17Kujawski D. A new (K +K max 0. 5driving force pa 2rameter for crack growth in aluminum alloysJ.Internation 2al Journal

21、 of Fatigue ,2001(23 :7332740.18Sudip Dinda ,Daniel Kujawski. Correlation and predic 2tion of fatigue crack growth for different R 2ratios using K max and K +parameters J .Engineering Fracture Mechanics , 2004(71 :177921790.19王文健, 刘启跃. PD3和U71Mn 钢轨疲劳裂纹扩展速参考文献1郑修麟. 金属疲劳的定量理论M .西安:西北工业大学率研究J.机械强度,2007

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