【《疲劳裂纹扩展机理探究国内外文献综述》2700字】

1.41疲劳裂纹扩展机理研究国内外文献综述1.1疲劳裂纹扩展机理裂纹的“生命周期”(最终导致循环加载构件的疲劳破坏)包括五个后续阶段：裂纹的萌生阶段、微观裂纹结构的生长阶段、裂纹扩展成为物理断裂纹阶段、长裂纹生长阶段和最终断裂阶段。裂纹最初的萌芽主要是指：无限积累的裂纹形核阶段。塑性变形，这可能发生在标称光滑表面，在循环加载下，由于不可逆的原因，会出现侵入/挤压模式。位错运动(持久滑动带)，裂纹在晶界也有核化。更常见的是作为应力/应变集中器的缺陷。值得注意的是，与随后的裂纹扩展阶段相比，在存在缺陷的情况下，裂纹萌生阶段通常较短。通常情况下，在起裂阶段会产生大量的裂纹。它们的尺寸是按其发展过程中的微观组织的特征尺寸排列的，其中最重要的是晶粒尺寸。这些微观结构短裂纹的扩展特征是由于局部微观结构的强烈影响。在微机械屏障上，增长加速的阶段随减速或甚至裂纹停止的变化而变化。值得注意的是，不一定是裂纹深度，而是裂纹前缘长度，这是确定微观结构短裂纹上限的一个重要参数。如果应力范围足够大，一定数量的裂纹将克服微结构障碍并继续扩展。当它们的尺寸达到特征机械尺寸的顺序时，例如塑性区尺寸在裂纹尖端之前，它们将被指定为机械短裂纹。局部显微组织的影响是下降的，更好的是，它是沿裂纹前沿平均出来的，并且裂纹扩展变得更加连续。需要关注的是，线性弹性ΔK概念不能在此阶段应用，而应由弹塑性参数代替，例如循环J积分ΔJ，比较弹性应力K值相同的裂纹尖端的分布I但大小不同。显而易见，我们可以得出，裂纹尖端附近的应力分布直接影响着裂纹扩展和门槛值。例如，如果我们比较裂纹尖端2.5或5μm处的应力，很明显，短裂纹值高于长裂纹的应力值。图1.1疲劳裂纹扩展示意图疲劳裂纹扩展三阶段示意图；（b）疲劳裂纹扩展第I阶段示意图图1.2疲劳裂纹扩展的第n阶段示意图\o"LearnmoreaboutCrackInitiationFatiguefromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"疲劳裂纹萌生在空洞，如气体或收缩孔或缺乏融合是常见的\o"LearnmoreaboutCastAlloyfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"铸造合金、\o"LearnmoreaboutSinteredAlloyfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"烧结合金，也适用于添加剂制造的材料，例如，由\o"LearnmoreaboutSelectiveLaserMeltingfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"选择性激光熔炼而且它也可以它可以区分不同类型的腔体，它们的起源和形状不同：(A)气孔，由于与液体相比，气体在固体金属中的溶解度降低，制造过程中的气体被包裹在孔隙中。这些毛孔通常呈球形。(B)微收缩孔，凝固过程中体积收缩形成的微收缩孔表现出更为复杂的形貌。而它们相当平坦的范围可能要比气体孔隙的大得多。(C)未熔区，通常是细长的、非球形的孔，从亚微米到宏观都可以是不同大小的。与微收缩相比，由于应力集中程度较高，这些孔洞对疲劳裂纹萌生的危害比球状气体孔更大。裂纹萌生孔尺寸统计分布的一个例子\o"LearnmoreaboutAluminumAlloysfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"铝合金，\o"LearnmoreaboutMechanicalFatigueTestfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"疲劳试验在两个不同的频率上。结果表明，孔洞的尺寸远大于\o"LearnmoreaboutNonmetallicInclusionfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"非金属夹杂物在。这就是为什么当存在气孔时，常常支配裂纹的萌生(也包括裂纹的扩展)。1.2疲劳寿命影响因素金属是工程结构中应用最广泛的材料，疲劳失效是金属结构最常见的失效形式之一。金属材料的疲劳裂纹失效研究已经过去了160个春秋，其中，一些问题得到解决，但是还有很大部分的问题没有得到解决。在这些目前将影响金属结构疲劳寿命的因素分为材料、结构、载荷和环境4类。材料类型(如脆性铸铁、球墨钢、铝、钛)和加工条件(如再热、冷成形、热锻、冷挤压、淬火、回火)、晶粒类型和尺寸、基本材料性能(布氏硬度、弹性模量E、0.2%偏置YS屈服强度、极限抗拉强度Su、真断裂强度sf、强度系数K、循环应变硬化指数nⅱ、应变硬化指数n;循环强度系数Kⅱ、循环屈服强度YSⅱ、真断裂延性ef、疲劳强度指数b、疲劳延性指数c、面积收缩率%RA、断裂伸长率%EL等这些都是决定疲劳强度的关键参量。表面精加工的影响，由于微裂纹的萌生通常与自由表面有关，材料的疲劳强度，特别是在很长一段时间后，通过测试给定的一批相似试样来确定。这取决于在制备过程中使用的特殊技术所产生的样品表面的粗糙度和条件。这种表面光洁度的影响在早期得到了广泛的研究，Frost等人给出了全面的实验数据。结构效应，结构几何形状结构几何形状明显决定了应力水平，并将影响疲劳寿命。这种影响在应力分析中已得到充分的考虑。疲劳主要是局部失效类型，因此缺陷的几何形状(尺寸和分布)对疲劳寿命有重要影响。缺陷的几何形状将极大地影响制造方法和质量控制程序。目前已经考虑了宏观缺口效应，但尚未充分考虑微观缺陷，这是疲劳试验结果分散较广的主要原因。焊缝是导致疲劳的最重要的制造缺陷之一。因此，大多数现有的疲劳设计规则主要是针对焊接结构的疲劳。产生疲劳设计规则的一个重要组织是国际焊接学会(IIW)。IIW关于焊接结构疲劳和焊接缺陷评估的新建议最近得到了更新。例如，部件测试、名义应力、几何(热点)应力和缺口应力方法，以及断裂力学方法。外加载荷的作用影响，平均应力效应疲劳实验说明，拉伸平均应力比零平均应力寿命短。许多影响平均应力的方法被发现，这些公式包括古德曼、戈贝尔和索德伯格提出的公式，以及史密斯-沃森-托普关系。最好的可能是Smith-Watson-Topper关系，它通常与许多工程材料的测试数据很一致。Kujawski和Ellyin提出了一种统一的方法，将上述方法作为特殊情况包括在内。变幅加载下的疲劳裂纹扩展通常伴随着载荷相互作用现象，这就导致了给定加载周期内的疲劳裂纹扩展速率与等幅试验中相同周期内的疲劳裂纹扩展速率不同。载荷相互作用效应的特征和幅度以一种复杂的方式取决于加载变量、试件几何形状、材料性能、微观结构和环境。Skorupa发表了一篇关于变幅加载下疲劳裂纹扩展过程中载荷交互作用的综合综述，并总结了经验趋势。同一类型的变幅载荷序列，根据与上述因素相关的特定参数组合，在疲劳裂纹扩展过程中既可以产生减速，也可以产生加速。多轴疲劳通常用一些等效应力或其他量来处理。ISSC78列出了其中大部分:冯·米塞斯的等效应力;最大主应力;基于裂纹张开位移的等效应力;最大剪切应变和作用在剪切面上的法向应变;循环应变能量密度；最大剪应力或应变;实验表明，当主应力幅相同时，非比例加载比比例加载的疲劳寿命短一个数量级。频率影响，许多实验表明频率范围1-200Hz,疲劳极限或强度后很长一段时间不加热的材料或其表面没有化学攻击测试期间保持不变在实际应用中,虽然有,但事实上,随着测试速度的增加，略有增加。在较高的测试速度下，疲劳极限随着测试速度的增加而持续增加，直到约2khz的频率，但超过这个频率，实验数据不一致。有证据支持和反对峰值频率，超过该频率疲劳强度随频率增加而降低。