圓柱體表面裂紋疲勞擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和高強(qiáng)度材料大型設(shè)備斷裂事故的不斷出現(xiàn)。使得斷裂力學(xué)和疲勞理論得到了很好發(fā)展和廣泛應(yīng)用。本文將主要研究三維表面裂紋在不同循環(huán)載荷作用下的擴(kuò)展行為以及各種參數(shù)的影響。 通過(guò)對(duì)45＃鋼材料三維圓截面試樣直前緣表面裂紋在循環(huán)拉伸載荷作用下裂紋擴(kuò)展行為和斷面形貌特征實(shí)驗(yàn)分析得出：對(duì)于垂直橫截面的表面裂紋，單軸循環(huán)拉伸載荷作用下，裂紋擴(kuò)展斷面形貌特征與初始預(yù)制裂紋深度有著明顯的關(guān)系。循環(huán)拉伸載荷作用下施加恒定的扭轉(zhuǎn)載

2、荷可以明顯延緩表面裂紋的擴(kuò)展速率，增加試樣的疲勞壽命。并且這種裂紋擴(kuò)展的“遲滯”作用隨著拉伸載荷幅度的增加而減弱。 基于循環(huán)拉伸載荷作用下表面裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，使用有限單元法計(jì)算了三維表面裂紋在拉伸載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。對(duì)于直前緣表面裂紋，在疲勞拉伸載荷作用下裂紋前緣最深點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度因子總是大于外表面的應(yīng)力強(qiáng)度因子。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后，裂紋在外表面方向的擴(kuò)展速度超過(guò)在深度方向的擴(kuò)展速度，裂紋前緣曲線的曲率逐漸減小

3、。當(dāng)初始裂紋前緣為半圓曲線時(shí)，疲勞拉伸載荷作用下裂紋前緣曲線上最深點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度因子始終小于外表面的應(yīng)力強(qiáng)度因子。隨著三維表面裂紋的擴(kuò)展，裂紋前緣曲線的曲率不斷變化。實(shí)際的應(yīng)力強(qiáng)度因子總是位于直裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子和半圓形裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子之間。裂紋前緣曲線曲率的變化對(duì)最深點(diǎn)B處的應(yīng)力強(qiáng)度因影響較大，而對(duì)外表面A處的應(yīng)力強(qiáng)度因子幾乎沒(méi)有什么影響。 循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷作用下，表面疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑與載荷大小無(wú)關(guān)。增加靜態(tài)拉伸載荷時(shí)在一

4、定程度上增加了表面裂紋擴(kuò)展角，但是裂紋擴(kuò)展路徑仍保持直線。靜態(tài)拉伸載荷加快了表面裂紋的擴(kuò)展速度，并減少了試樣的疲勞壽命。靜態(tài)壓縮載荷對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑和疲勞壽命幾乎沒(méi)有什么影響。 在雙軸循環(huán)載荷作用下，裂紋的擴(kuò)展路徑始終為一條曲線。拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力的增加均會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展速率。但拉伸應(yīng)力的變化對(duì)裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響要大于剪切應(yīng)力變化的影響。根據(jù)不同相位差對(duì)表面裂紋擴(kuò)展影響的結(jié)果得到，φ=0情況下的裂紋擴(kuò)展速率最大，疲勞壽命最短

5、。隨著相位差φ的增加，裂紋擴(kuò)展角度逐漸增大，疲勞壽命逐漸變長(zhǎng)。當(dāng)φ=π時(shí)，裂紋擴(kuò)展角度最大，試樣的疲勞壽命最長(zhǎng)。表面裂紋的擴(kuò)展路徑主要受控于循環(huán)載荷的振幅，而與循環(huán)載荷的平均應(yīng)力值無(wú)關(guān)。而裂紋擴(kuò)展率，疲勞壽命則主要受制于循環(huán)載荷的平均應(yīng)力值。 對(duì)于表面傾斜裂紋，在循環(huán)拉伸載荷形式下，表面傾斜裂紋始終沿著非自相似路徑進(jìn)行擴(kuò)展。恒定扭轉(zhuǎn)載荷的施加不僅改變裂紋的擴(kuò)展路徑，而且加快裂紋的擴(kuò)展速度。在循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷形式下，表面傾斜裂紋的擴(kuò)展

6、表現(xiàn)為剪切模式。恒定拉伸載荷的加入降低裂紋的擴(kuò)展角度，加快裂紋的擴(kuò)展速度。雙軸循環(huán)載荷作用下，裂紋的擴(kuò)展路徑主要與拉伸應(yīng)力幅度和剪切應(yīng)力幅度的比值以及相位差有關(guān)。在同一相位差的情況下，拉伸應(yīng)力幅度和剪切應(yīng)力幅度的比值決定了裂紋的擴(kuò)展模式。非比例載荷作用下，φ=90°時(shí)壽命最短，φ=180°時(shí)壽命最長(zhǎng)。 對(duì)于先預(yù)制裂紋后滲碳的材料表面裂紋，在單軸循環(huán)拉伸作用下裂紋仍沿著裂紋表面方向進(jìn)行擴(kuò)展。滲碳熱處理有效地提高了材料表面強(qiáng)度，增加

7、疲勞壽命。恒定扭轉(zhuǎn)載荷的加入改變了裂紋的擴(kuò)展路徑，擴(kuò)展角度的大小與扭轉(zhuǎn)剪切載荷成正比，而受材料滲碳厚度的影響較小。此外扭轉(zhuǎn)載荷還延遲表面裂紋的擴(kuò)展，增加材料的疲勞壽命。滲碳層厚度對(duì)循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷作用下裂紋擴(kuò)展路徑的影響很小。滲碳處理會(huì)有效阻礙裂紋的擴(kuò)展，但是當(dāng)滲碳厚度在一定范圍內(nèi)，由于增加疲勞強(qiáng)度對(duì)裂紋的阻礙作用小于由于表面脆性對(duì)裂紋擴(kuò)展的加速作用，使得裂紋疲勞壽命反而降低。恒定拉伸載荷的加入加速表面裂紋的擴(kuò)展，降低材料的疲勞壽命。在循環(huán)