基于位錯理論疲勞裂紋擴展特性的研究

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1、摘要疲勞裂紋是引起工件失效的一個重要原因，目前主要是基于斷裂力學(xué)理論來解決這個問題，卻無法從本質(zhì)上解釋疲勞裂紋擴展特性?；谖诲e理論出發(fā)就能夠很好地研究疲勞裂紋的擴展特性，但是現(xiàn)階段基于位錯理論一般只是針對于疲勞裂紋擴展I階段，對于擴展的全程特性研究還很不完善，從位錯理論研究疲勞裂紋擴展特性有著重要意義。在研究I型裂紋的擴展方向時，由于實際狀況下的位錯結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的，所以建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來簡化裂紋尖端的位錯群是必要的。本文用大位錯模型來替代實際晶體當(dāng)中的離散位錯，簡化了位錯模型，能夠比較方便的計算出位錯與裂紋共同作用下裂紋尖端的應(yīng)力場分布情況，并發(fā)現(xiàn)裂紋尖端的應(yīng)

2、力分布受到外加應(yīng)力強度因子和晶格摩擦力的影響。結(jié)果表明裂紋尖端的應(yīng)力峰值會隨著應(yīng)力強度因子增加而增加，同時還會隨著晶格摩擦力減小而增大。通過對裂紋尖端各個滑移面的應(yīng)力進行計算發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中極大值一直出現(xiàn)在主裂紋面上，所以I型裂紋擴展的方向總是沿著主裂紋面的方向，不會隨著外加條件變化而改變。目前基于微觀位錯理論得出的疲勞裂紋擴展速率表達式主要是反映疲勞裂紋擴展第一階段的特點。本文利用連續(xù)位錯模型，并結(jié)合能量守恒理論，得出疲勞裂紋擴展速率的表達式。在計算裂紋．位錯系統(tǒng)的總勢能時，位錯發(fā)射過程當(dāng)中克服晶格摩擦力所引起的耗散能以及位錯．位錯相互作用能、位錯．裂紋相互作用能都

3、被考慮進去。通過對位錯、裂紋共同作用下在裂紋尖端所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變場的計算，可以求得裂紋尖端的應(yīng)變能密度，并將它替代位錯．位錯相互作用能與位錯．裂紋相互作用能，改進了現(xiàn)有的疲勞裂紋擴展速率公式。結(jié)合能量守恒定理與連續(xù)位錯理論得到的疲勞裂紋擴展速率公式與傳統(tǒng)的疲勞裂紋擴展速率表達式有著很好的一致性，并且和實驗數(shù)據(jù)也有很好的吻合，結(jié)果能夠很準確很好地反映出裂紋擴展第二、三階段的擴展特點。該疲勞裂紋速率公式還可以直接反映出頻率以及應(yīng)力比對裂紋擴展速率的影響，因此公式可以直接運用于對不同頻率以及應(yīng)力比下疲勞裂紋擴展速率的預(yù)測。關(guān)鍵詞：刃型位錯；應(yīng)力集中；裂紋擴展方向；能量

4、守恒原理；連續(xù)位錯模型：疲勞裂紋；擴展速率ABSTRACTFatiguecrackisanimportantreasonforfailureofworkpiece，andtheproblemissolvedbyfracturemechanicstheoryatpresent，butthecharacteristicsoffatiguecrackpropagationcall’tbeexplainedbyfracturemechanicstheory·Basedonthedislocationtheory,thecharacteristicsoffatiguecra

5、ckpropagationcanbewellstudied，butexistingdislocationtheoryonlycanreflectthefeatureofstageIofcrackpropagation．Thestudytopropagationcharacteristicsofthewholeprocessisincompletelystudiedfromthedislocationtheory,SOitissignificanttostudyfatiguecrackpropagation．Astheactualsituationofthedisl

6、ocationstructureincracktipisverycomplicated，allappropriatemathematicalmodeltosimplifythedislocationgroupincracktipisnecessary．Thissuper．dislocationmodeltoreplacetheactualdiscretedislocationsmakeitbemoreconvenienttocalculatethestressfieldcausedbyinteractionofdislocatioasandcrack，theres

7、ultsshowthatthestressdistributionincracktipisaffectedbyappliedstressfactorandlatticefriction．Theresultshowsthatpeakstressincracktipwillchangewiththeappliedstressfactorincreasingandthefrictionstressdeereasing．Bymeansofstresscalculationineveryslipface，it’Seasyfoundthatthepositionofnucle

8、ation