介绍力学大会2015集ms1742

王俊东，何许，姚尧*（西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710072，Email现广变变论疲裂扩理纹扩论发过虑错留滑移带PSB积理劳纹劳纹劳纹钢行所论论的和较引金属材料的疲劳问题主要包括疲劳裂纹的萌生以及扩展两个过程。疲劳裂纹萌生的预测模型目前主要由基于大量实验的唯象法和基于材料细观结构来预测萌生寿命的理论方法1]。而前者需要依靠大量的实验数据，并且没有从本质上阐明裂纹萌生的细观结构损伤机理。而大量的实验和研究表明，裂纹萌生通常发生在驻留滑移带（SB）上，并且在晶粒尺度范围夹杂等因素都会影响疲劳裂纹[]。改进裂纹萌生在孔洞或夹杂情况下的理论模型[4-6]。1999年，Fineet但是Yo的模型中假定了裂纹初始萌生半径为250nm纹萌生的临界尺寸与观测手段和裂纹萌生的定义有关显然对于同一种材料的不同加载条件或者不同材料而纹细观结构出发过考虑裂纹萌生的本质虑位错偶极子在PS上不断累引起微裂纹传统的相变理论中引入单位循环内累积的位错纹半径的关进现裂纹萌生预测实验数据进行对拟结果比原有模型更加接近实验

其中f表示有效因数（由疲劳引起的有效缺陷）；t表示裂纹萌生时，缺陷完全转化为裂纹的两侧的总N*表示裂纹形核时的临界循环σ表示疲劳循环过程中应力变化范围；εp表示疲劳循环过程中塑性应变的变化范围。2W2 1）Theprojectwassupportedby 其中σ表示循环过程中的最大应E表示材料的弹性模量；υa表示三维a [3]可以表示为

B

32

2W 当疲劳裂纹萌生时，自由能W达到极值

W

22 3ftπNbρeσεp

从而可以得到疲劳裂纹的萌生寿命N*

由于（7）式是关N的三次函数，为保证裂纹萌生时体系自由能处于极大值极值

22 位错数，当λ10时表示反向加载后位错累计为零，既不会形成裂纹λ11

N

N*

3%Si合金钢[4]、A10结构钢[13]、A336GR5结构钢[14]、A387为了简化分析，计算采用理想情况下（λ11）的三维币形裂纹（λ21）的关系式（9） 所采取的数据针对较高应变振幅（ε2.5103、ε5103、ε7.510 ft2.5109，与文献[10]ft2.4109接近。而文献[4]中所给出的两种模型为

ft4.8109。文献[4]中所用到的两个模型对疲劳裂纹萌生时间的预测都具有一定的偏3%Si合金钢在较高应变振幅下的裂纹萌生时间能够较好的预测 non关系对实验数据的拟合见图2过环应单位时间内滑移带上累计的位错纹萌生所需的时间相应对疲劳裂纹萌生数据预测进后的相变理论模型对A1结构钢的疲劳裂纹萌生数据能够较好的预测实验数据拟合的材料参数ft2.5109经典的in-ft1.3108。说明改进后的相变理论模型对于A10结构钢在一定应力振幅（σ350~530Mpa）下的裂纹萌生时间能够较好的预测。不同模型对于A336GR5文献[14]采用A理论及经典的裂纹萌生数据预测的准确程度上来看，改进后的相变理论模型对A336 一定偏差，对ft，采用改进后的相变理论拟合的结ft2.2109，而原有相变理论对实验数据的拟合结果是ft2.7108。不同模型对于A387GR22文献[14]采用 理论及经典的non关系对实验数据的拟合见图4过环应单位时间内滑移带上累计的位错纹萌生所需的时间相应对疲劳裂纹萌生数据预测种模型对裂纹萌生时间的预测均不进后的相变理论模型对实验结果的预测误差相对经典的offin-的结果是ft1.8109，而原有相变理论对实验数据的拟合结果是ft7.4109。 裂纹萌生数据的预测并不理想，对于材料参数ft，采用改进后的相变理论拟合的结果是ft2.2109，而原有的相变理论对实验数据拟合所得的结果是ft2.0108。 对于改进后的相变理论预测裂纹萌生时间(9)式，除了参数ft以外，每一项都具有明确的物理意义，而根据文献[10]所述，ft通常可以视为一个与材料性质有关的常数。对于不同的材料，ft的数值变化较大。通过对不同实验数据的分析，本文对改进前后相变理论对ft的拟合值进行比较，所得结果见图6。通过分析可知，对于不同材料，原有的相变理论通过实验数据拟合所得ft离散程度较大（最大：A ft2.7108，最小：Fe-3%Sift4.8108），而改进后的相变理论通过对实验数据的拟ft离散程度很小（ ft2.5108，最 ft1.8108），基本在ft2.2109上下浮动。同时注意到本文所采用的实验数据都是能够较好的吻合，同时通过对实验数据的分析，得到了一个接近常数的材料参数ft值，说明ft与材料的性质有关，并且对于组成成分相近的同类ft的取值相差不大。最终得到一ManJ.Extrusionsandintrusionsinfatiguedmetals.Part1.Stateoftheartandhistory.2009,89:1295-KwaiSC.Rolesofmicrostructureinfatiguecrackinitiation.InternationalofFatigue,2010,32:1428- TanakaK,MuraT.Adislocationmodelforfatiguecrackinitiation.fatiguedamagemodel.JournalofAppliedMechanics，1981，48：97-103LinMR,FineME,MuraT.Fatiguecrackinitiationonslipband:theoryandexperiment.Actametall,1985,34:619- TanakaK,MuraT.Atheoryoffatiguecrackinitiationatinclusions.MetallurgicalTransactionsA,1981,13A:117-MuraT,NakasoneY.Atheoryoffatiguecrackinitiationinsolids.JournalofAppliedMechanics，1991,57:1-66YaoY,HeX,KeerLM,FineME.Acontinuumdamagemechanics-basedunifiedcreepandplasticitymodelforsoldermaterials.ActaMaterialia，2015，83:160- FineME,StolkartsV,MP,KeerLM.Fatiguecracknucleationassistedbythermalactivation.MeterialsScienceand1999,A272:5-FineME.PhasetransformationtheoryappliedtoelevatedtemperatureFatigue.Scriptamater,2000,42:1007- YaoY,FineMe,KeerLM.Anenergyapproachtopredictfatiguecrackpropagationinmetalsandalloys.InternationalJournalofFracture,2007,146:149-158BhatSP,FineME.Fatiguecracknucleationinironandahighstrengthlowalloysteel.MaterialsScienceand2001,A314:90-ChabocheJL.Constitutiveequationsforcyclicplasticityandcyclicviscoplasticity.InternationalJournalofPlasticity,1989,5(3):247-302PragerW.Anewmethodofanalyzingstressesandstrainsinwork-hardeningplasticsolids.JournalofAppliedMechanics,1956,23(4):493-496SochaG.Experimentalinvestigationsoffatiguecracksnucleation,growthandcoalescenceinstructuralsteel.JournalofFatigue,2003,25:139-SochaG.Predictionofthefatiguelifeonthebasisofdamageprogressratecurves.InternationalJournalof2004,26:339-AphasetransitionapproachtopredictfatiguecrackinitiationinmetalsandWANG He Yao(1,2NorthwesternPolytechnicalUniversity,MechanicalandCivilEngineering,Xian,710072,AbstractMetallicmaterialswillproducedefectsundercyclicloading,whileaccompaniedbyinternalenergychange.Thechangeininternalenergycausesfatiguecrackinitiationandpropagation.Mostofthemethodsusedtopredictedfatiguecrackinitiationareempiricalmethodsorsemi-empiricalmethodswhichbasedonnumerousexperimentaldata,andlacktheoreticalbasis.Butthechangeindefects,crackinitiationandgrowtharealsoexamplesofphasetransformations.Manyconceptsinphasetransformationscanbeappliedtofatiguecrackinitiationandpropagation.Thispaperusedmicromechanicstoconsideredthedislocationdipolesaccumulatedonpersistentslipbands(PSBs)whenmetallicmaterialsundercyclicloading.Anewenergymethodbasedonphasetransformationstheoryisappliedtopredictedfatiguecrackiniti