疲勞裂紋擴(kuò)展.doc

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1、疲勞裂紋擴(kuò)展不銹鋼304L的疲勞裂紋擴(kuò)展模擬FeifeiFan,SergiyKalnaus,YanyaoJiang（美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）摘要：一個(gè)基于最近發(fā)展的疲勞方法的實(shí)驗(yàn)用來預(yù)測不銹鋼304L的裂紋擴(kuò)展。這種疲勞方法包括兩個(gè)步驟：（1）材料的彈塑性有限元分析；（2）多軸疲勞標(biāo)準(zhǔn)在基于有限元分析的可輸出的拉伸實(shí)驗(yàn)的裂紋萌生與擴(kuò)展預(yù)測中的應(yīng)用。這種有限元分析具有這樣的特點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)在先進(jìn)循環(huán)塑性理論下?lián)渥讲牧显诔７虞d條件下重要的循環(huán)塑性行為。這種疲勞方法是基于這樣的理論:當(dāng)累計(jì)疲勞損傷達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)材料發(fā)生局部失效，而且這種理論同樣適用于裂

2、紋的萌生與擴(kuò)展。所以，一組材料特性參數(shù)同時(shí)用來做裂紋的萌生與擴(kuò)展預(yù)測，而所有的材料特性參數(shù)都是由平滑試樣試驗(yàn)產(chǎn)生。這種疲勞方法適用于I型緊湊試樣在不同應(yīng)力比和兩步高低加載順序下等幅加載的裂紋擴(kuò)展。結(jié)果顯示，這種疲勞方法能夠合理的模擬在試驗(yàn)上觀察到的裂紋擴(kuò)展行為，包括刻痕影響、應(yīng)力比的影響和加載順序的影響。另外，這種還方法能夠模擬從刻痕到早期的裂紋擴(kuò)展和疲勞全壽命，而且預(yù)測的結(jié)果和試驗(yàn)觀察的結(jié)果吻合得很好。關(guān)鍵詞：累計(jì)損傷；疲勞裂紋擴(kuò)展；疲勞標(biāo)準(zhǔn)1.簡介工程承壓設(shè)備經(jīng)常承受到循環(huán)加載，一般說來，疲勞過程有三個(gè)階段組成：裂紋萌生和早期裂紋擴(kuò)展、穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展

3、和最后的疲勞斷裂。裂紋擴(kuò)展速率通常被表示為重對數(shù)圖尺在應(yīng)力強(qiáng)度因素范圍上的一個(gè)功能。在常幅加載下，不同應(yīng)力比時(shí)穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展結(jié)果通常服從Paris公式和其修正公式。常幅疲勞加載下不同材料的行為不同。有些材料表現(xiàn)為應(yīng)力比的影響：在相同應(yīng)力比時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率曲線一致，但是，應(yīng)力比增大時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率也增大。而其他金屬材料沒有表現(xiàn)出任何應(yīng)力比的影響，而且在恒幅加載其裂紋擴(kuò)展速率曲線在重對數(shù)圖紙上重合。在變幅加載條件下疲勞裂紋擴(kuò)展行為作為另一個(gè)課題已經(jīng)研究了若干年了。過載和變幅加載的應(yīng)用對疲勞裂紋擴(kuò)展研究產(chǎn)生了重大的影響。對于大多數(shù)金屬材料而言，上述加載方法的

4、應(yīng)用導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率減慢?；诰€彈性斷裂力學(xué)的理論，這種過渡行為經(jīng)常使用應(yīng)力強(qiáng)度因子和通過引入在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下的Paris公式的修正因子來模擬。這種模型在1972年被Wheeler引人，并且可以被視為處理變幅加載影響的可行方法。若干針對在變幅加載條件下不同材料的特定形狀的裂紋擴(kuò)展曲線Wheeler修正模型已經(jīng)提出。這些模型很少或者沒有物理基礎(chǔ)，而為了獲得一組合適的常量來校準(zhǔn)這些模型需要裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的結(jié)果。自從這種模型在1970年被Elber引進(jìn)，裂紋閉合理論經(jīng)常用來解釋裂紋擴(kuò)展行為。這種由單軸拉伸過載產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速率的減慢在Elber的后來的

5、研究中可以用裂紋閉合理論來解釋。Kop理論是作為在裂紋開放加載下一個(gè)相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子引進(jìn)的，這種從Kop到Kmax的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子被認(rèn)為是裂紋的起裂參數(shù)。因此，裂紋擴(kuò)展與總應(yīng)力強(qiáng)度因子的一部分有關(guān)，當(dāng)裂紋起裂時(shí)這部分對應(yīng)于循環(huán)的一部分。這種方法用來解釋應(yīng)力比和變幅加載的影響。然而，這種基于實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)裂紋閉合方法正遭受批評。裂紋尖端的鈍化已被用來解釋裂紋擴(kuò)展。這種由于過載引起的擴(kuò)展速率減慢只要?dú)w因于在裂紋尖端前端的壓縮殘余應(yīng)力或在裂紋尖端末端由于塑性引起的裂紋閉合，或者是二者的共同作用。在過載條件下立即發(fā)生的裂紋擴(kuò)展早期加速是由于裂紋尖

6、端鈍化引起的拉伸殘余應(yīng)力的結(jié)果。這種有限元分析方法被用來分析應(yīng)力分布和與變幅加載影響有關(guān)的裂紋張開位移。一般來說，疲勞裂紋是一個(gè)由于應(yīng)力集中在刻痕的成核。這種在短裂紋擴(kuò)展行為中所謂的缺口效應(yīng)存在而且裂紋擴(kuò)展速率也許比基于穩(wěn)定擴(kuò)展的預(yù)期或高或低。關(guān)于從缺口的裂紋萌生和早期的裂紋擴(kuò)展行為已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。在缺口四周存在一個(gè)過渡區(qū)，在這個(gè)區(qū)域里疲勞裂紋擴(kuò)展速率可能減速、加速或者不變。為了模擬缺口短裂紋擴(kuò)展行為，試驗(yàn)主要集中在缺口附近的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子、缺口尖端塑性和缺口尖端循環(huán)塑性與接觸表面裂紋的組合。最近的一個(gè)試驗(yàn)中Jiang和他的合作者嘗試去使用多軸

7、疲勞標(biāo)準(zhǔn)去統(tǒng)一預(yù)測裂紋的萌生和擴(kuò)展。這個(gè)觀點(diǎn)的意思是裂紋的萌生和隨后的裂紋擴(kuò)展都服從同一種疲勞標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)累計(jì)疲勞損傷達(dá)到一個(gè)特定的臨界值時(shí)材料的屈服點(diǎn)就會(huì)形成裂紋。這種方法已經(jīng)在1070鋼上成功應(yīng)用，在據(jù)方向變化加載下，對從缺口發(fā)展的早期裂紋擴(kuò)展、穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展、過載影響、應(yīng)力比的影響的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)觀察結(jié)果吻合。所有的裂紋擴(kuò)展預(yù)測都是基于從測試光滑試樣產(chǎn)生的材料常量。在目前的研究中，上述的方法用來模擬缺口試樣的裂紋擴(kuò)展，這種試樣由AISI304L奧氏體不銹鋼構(gòu)成。缺口對早期裂紋擴(kuò)展的影響、應(yīng)力比的影響以及加載順序的影響已經(jīng)被模擬了，應(yīng)力分析通過采用有限元

8、分析方法建立一個(gè)強(qiáng)大的循環(huán)塑性模型來進(jìn)行。預(yù)測的結(jié)果用來與裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的結(jié)果對比。2.裂紋擴(kuò)展