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1、材料疲勞裂紋擴(kuò)展研究綜述摘要:疲勞裂紋擴(kuò)展行為是現(xiàn)代材料研究中重要的內(nèi)容之一。論述了組織結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、腐蝕條件以及載荷應(yīng)力比、頻率變化對材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響?？偨Y(jié)出疲勞裂紋擴(kuò)展研究的常用方法和理論模型，并討論了“塑性鈍化模型”和“裂紋閉合效應(yīng)”與實際觀察結(jié)果存在的矛盾溫度、載荷頻率和應(yīng)力比是影響材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的主要因素。發(fā)展相關(guān)理論和方法，正確認(rèn)識影響機(jī)理，科學(xué)預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展行為一直是人們追求的目標(biāo)。指出了常用理論的不足，對新的研究方法進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞:溫度;載荷頻率;應(yīng)力比;理論;方法;疲勞裂紋擴(kuò)展1前言19世紀(jì)
2、40年代隨著斷裂力學(xué)的興起，人們對于材料疲勞壽命的研究重點逐漸由不考慮裂紋的傳統(tǒng)疲勞轉(zhuǎn)向了主要考察裂紋擴(kuò)展的斷裂疲勞。盡量準(zhǔn)確地估算構(gòu)件的剩余疲勞壽命是人們研究材料疲勞擴(kuò)展行為的一個重要目的。然而，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展研究涉及了力學(xué)、材料、機(jī)械設(shè)計與加工工藝等諸多學(xué)科，材料、載荷條件、使用環(huán)境等諸多因素都對疲勞破壞有著顯著的影響，這給研究工作帶來了極大困難。正因為此，雖然對于疲勞的研究取得了大量有意義的研究成果，但仍有很多問題存在著爭議，很多學(xué)者還在不斷的研究和探討，力求得到更加準(zhǔn)確的解決疲勞裂紋擴(kuò)展問題的方法和理論。經(jīng)過幾十年的發(fā)展
3、，人們已經(jīng)認(rèn)識到斷裂力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)和構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展有力而現(xiàn)實的工具。現(xiàn)代斷裂力學(xué)理論的成就和工程實際的迫切需要，促進(jìn)了疲勞斷裂研究的迅速發(fā)展。如Rice的疲勞裂紋擴(kuò)展力學(xué)分析(1967年)，Elber的裂紋閉合理論(1971年)，Wheeler等的超載遲滯模型(1970年)，Hudak等關(guān)于裂紋擴(kuò)展速率標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，Sadananda和Vasudevan(1998年)的兩參數(shù)理論等都取得了一定成果。本文將對其研究中存在問題、常用方法和理論模型、以及溫度、載荷頻率和應(yīng)力比對疲勞裂紋擴(kuò)展影響的研究成果和新近發(fā)展起來的相關(guān)理論進(jìn)行介紹
4、。2疲勞裂紋擴(kuò)展研究現(xiàn)存問題如今，人們在分析材料裂紋擴(kuò)展問題時最常用到的是“塑性鈍化模型”和裂紋尖端因“反向塑性區(qū)”等原因?qū)е碌摹傲鸭y閉合效應(yīng)”理論。而它們是否正確，卻一直在人們的驗證和爭論之中。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，有學(xué)者提出，若按照“塑性鈍化模型”理論，強度高的材料應(yīng)具有較低的裂紋擴(kuò)展速率，但實驗結(jié)果卻不能證實這一預(yù)測。另外，該“模型”認(rèn)為的“裂紋尖端的鈍化是在拉應(yīng)力達(dá)到最大值時完成的”這一觀點在理論上不妥，也與實測結(jié)果不符。觀察結(jié)果表明，裂紋尖端鈍化是一個漸進(jìn)的過程，鈍化半徑與外載荷大小成正比。而疲勞裂紋在擴(kuò)展過程中的“裂紋閉合
5、效應(yīng)”在什么情況下存在，能否對材料的裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生重要影響，考慮“裂紋閉合”的實驗室數(shù)據(jù)能否用于工程中等問題也一直在人們的爭論之中。由于“裂紋閉合效應(yīng)”理論推出的結(jié)論是:“對載荷比的依賴性不是材料的內(nèi)在行為，而是源于裂紋表面提前閉合后應(yīng)力強度因子幅(△K)的變化”，所以早在1984年S.Suresh等人就指出[1]，“裂紋閉合”不是一個力學(xué)參數(shù)，它受構(gòu)件形狀、載荷、環(huán)境和裂紋長度等因素的影響。因此，除非在實際使用過程中測量構(gòu)件的裂紋閉合情況，否則在實驗室里做出來的試驗結(jié)果不能用來預(yù)測構(gòu)件中的裂紋擴(kuò)展速率。1970年，Ritchie
6、研究鋼中裂紋擴(kuò)展的近門檻值時發(fā)現(xiàn):在真空環(huán)境下，應(yīng)力比R對門檻值幾乎沒有影響，首度質(zhì)疑了裂紋閉合的存在性和所起的作用。在前人研究的基礎(chǔ)上，美國海軍實驗室的K.Sadanada和A.K.Vasudevan等人經(jīng)過多年的研究[2]，從理論上證明了“不論在平面應(yīng)變還是平面應(yīng)力條件下，在裂紋張開過程中產(chǎn)生的塑性區(qū)不能導(dǎo)致裂紋的閉合”，并且指出，由表面粗糙度、氧化等因素導(dǎo)致的裂紋的提前閉合雖然存在，但在大部分情況下對裂紋尖端應(yīng)力只有小的影響。3現(xiàn)有研究方法和常用理論模型近20年來，我國在材料疲勞裂紋擴(kuò)展領(lǐng)域的研究主要以實際應(yīng)用為背景，針對廣泛
7、應(yīng)用的各種合金鋼和鋁合金進(jìn)行。研究內(nèi)容主要包括:①材料組織、力學(xué)性能[3-4]、應(yīng)力比、低溫環(huán)境[5]、鹽水環(huán)境、載荷波形以及隨機(jī)因素[6]在對裂紋擴(kuò)展行為的影響;②通過建立各種數(shù)學(xué)模型對裂紋擴(kuò)展的壽命進(jìn)行估算，對裂紋擴(kuò)展曲線進(jìn)行擬合，對各影響參數(shù)(如疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值)和裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系進(jìn)行描述[7-8]③疲勞變形機(jī)理和小裂紋的擴(kuò)展機(jī)理。在研究方法上，人們通常使用線彈性斷裂力學(xué)方法來研究裂紋的擴(kuò)展問題。實踐證明，對絕大部分材料而言，用這種方法處理的裂紋擴(kuò)展速率試驗結(jié)果可完全適用于工程中對含缺陷構(gòu)件裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測。根據(jù)疲勞裂紋
8、擴(kuò)展的一般特性，da/dN(裂紋擴(kuò)展速率)和△K的關(guān)系如圖1所示。除了可以用Paris-Erdogan公式分3個區(qū)域分別描述這種關(guān)系外，還可以利用已有的模型表達(dá)全范圍的da/dN—△K關(guān)系，如三分量模型和反雙曲正切模型。雖然用全范圍的
