疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金的疲劳裂纹扩展特征

疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一.论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响.总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型,并讨论了"塑性钝化模型"和"裂纹闭合效应"与实际观察结果存在的矛盾.最后,对钛合金疲劳裂纹扩展研究的内容和研究结果进行了概述.     

加载方法对ADB610钢疲劳裂纹扩展的影响

在取样方向、几何尺寸、加工方式和加工精度相同的情况下,分别对板厚20 mm的ADB610钢进行了加载方式、加载载荷和应力比不同的成组多试样疲劳裂纹扩展试验,得到不同情况下的ADB610钢的疲劳裂纹扩展长度a与循环寿命N即a-N试验数据,且并将a-N试验数据与增K法和降K法结合进行试验分析。结果表明,当初始最大加载载荷相同时,两者lg(da/dN)-lg(ΔK)的起始位置相同,当初始最大加载载荷不同时,起始位置不相同。     

裂纹闭合与疲劳裂纹扩展力的测试方法

介绍了一种在近十年里发展的裂纹扩展力测量方法，这种方法将裂纹扩展的门槛值行为与直流电位法结合起来，可以测量某一载荷下裂纹开始扩展的应力强度因子Ｋｐｒ，并由此计算有效应力强度因子范围ΔＫｅｆｆ＝Ｋｍａｘ－Ｋｐｒ。     

循环硬化对疲劳裂纹扩展与闭合的影响

提出了一种考虑材料循环塑性性能的研究疲劳裂纹扩展与闭合行为的有限元模拟方法。研究了在循环硬化条件下考虑纹闭合效应时裂纹面经张开廓形，裂纹洋端应力，应场和正反向塑性区的演化规律，对于循环硬化和不同循环应力比Ｒ等因素对裂纹纹凝开应力水平的影响也作了考查。     

微观组织对贝氏体钢疲劳裂纹扩展行为的影响

为了研究组织对疲劳裂纹扩展行为的影响,对3种不同贝氏体组织钢进行了疲劳裂纹扩展实验,并采用SEM和EBSD等方法对裂纹进行了分析.结果表明,板条贝氏体组织在近门槛区和稳定扩展区阻碍裂纹扩展的能力最强,具有最小的裂纹扩展速率.板条贝氏体组织中的大角度晶界使裂纹更容易发生偏折,导致断口表面粗糙度增加,裂纹扩展受到较强的粗糙度诱导裂纹闭合效应的作用.随着ΔK的增大,塑性诱导裂纹闭合效应取代粗糙度诱导裂纹闭合效应开始占据主导作用,是板条贝氏体组织中裂纹扩展速率对ΔK的变化较敏感的原因.     

变幅对载对疲劳裂纹扩展影响的实验分析

本文根据实验考察了低合金钢等厚度三点弯曲试件在变幅加载后的裂纹扩展情况。分析了变幅加载对疲劳裂纹扩展的影响，由实验分析得出了影响延缓期间疲劳裂纹扩展的主要因素是变幅加载峰值造成的塑性区及裂纹尖端的钝化程度，从而由实验结果得出单个变幅过载及五千次以内变幅过载对随后低载荷恒幅疲劳裂纹扩展有延缓作用。     

TB6钛合金疲劳小裂纹扩展行为

为了研究TB6钛合金自然萌生小裂纹的扩展行为,针对单边缺口拉伸试样开展室温下不同应力比(R=0.1,0.5)的小裂纹扩展实验,采用复型法观测了小裂纹的萌生与扩展情况。结果表明:同一应力比下,随着应力等级的降低,小裂纹的萌生寿命由占全寿命的60%增加到80%,但应力等级对TB6钛合金小裂纹扩展速率没有明显影响。裂纹早期扩展速率受微观组织的影响大,TB6钛合金扩展速率转变临界值是200μm,一旦裂纹长度达到200μm,裂纹扩展速率将不受取向不同的晶界或晶粒影响而迅速提升。TB6钛合金疲劳小裂纹起源于试样缺口根部,所有试样的裂纹大部分为角裂纹,疲劳小裂纹萌生寿命占全寿命的绝大部分。     

疲劳损伤和中间退火修复对疲劳裂纹扩展速率的影响

用电火花予制裂纹的40Cr钢试样与经受不同周次塑性应变的试样在相同的弹性应力加载条件下测得的裂纹扩展速率da/dn进了对比.结果表明随着预先疲劳损伤周次的增加,da/dn也增大,中间退火后可以明显降低da/dn.TEM和SEM分析表明改变da/dn大小的主要原因是损伤和修复影响碳化物在晶界区的沉淀、形态和断口形貌.     

Ⅱ型加载条件下疲劳裂纹扩展试验研究

对４种金属材料在Ⅱ型加载条件下的疲劳裂纹扩散行为进行的试验研究表明：在Ⅱ型加载条件下，裂纹可能仍沿Ⅱ型方向继续扩展，亦可能发生分支转变成Ⅰ型甚至Ⅰ＋Ⅱ型扩展，主要取决于材料本身的性质和它们的微观结构以及应力水平。当裂纹仍沿Ⅱ型方向扩展时，其扩展速率比相当应力水平的Ⅰ型裂纹扩展速率要大得多。     

残余应力场中疲劳裂纹的闭合作用

疲劳裂纹在残余压应力场中的扩展可藉助于裂纹闭合力来描述。采用板状试样相变温度下急冷以获得长程残余压应力场。应用动态测定法可同时测得裂纹闭合力和扩展速率。结果表明,残余压应力的最大值位置与扩展速率的最低值和闭合力的峰值所对应的裂纹长度基本相同。可以认为残余压应力提高了裂纹的闭合力,它使最小有效应力强度因子 K_(eff min)升高,从而减小了裂纹的扩展驱动力△K_(eff),这是裂纹扩展速率降低的主要原因。     

CYCLIC FATIGUE CRACK GROWTH AND CLOSURE BEHAVIOUR IN ALUMINA CERAMICS

Cyclic fatigue crack growth behaviour in alumina ceramics is investigated and the effect of grain size discussed. Special attention is given to crack closure effects. Cyclic fatigue tests were carried out using four-point bend specimens, and the load–strain and load–differential strain curves were monitored. These curves show hysteretic behaviour probably related to frictional sliding of bridging grains, and also include non-linearities due to crack closure. The crack opening load is determined from the load–differential strain curve by using a method introduced in this study. Growth rates can be successfully described by the relationship da/dN = C[ΔK_{eff /(1 ? Kmax /KIC )]m} which is proposed in this study to account for the effects of crack closure and the maximum stress intensity factor. Irrespective of grain size, growth rates can be well represented by the above relationship, implying that the grain size exerts an influence on growth rates not only because of crack closure behaviour but also the material fracture toughness. The growth rate curve based on the proposed relationship shows a sigmoidal form for ceramic materials, which is similar to metals.     

CRACK CLOSURE AND THE FATIGUE-CRACK PROPAGATION THRESHOLD AS A FUNCTION OF LOAD RATIO

The phenomenon of crack closure, which involves the premature closing of fatigue cracks during the unloading portion of a fatigue cycle resulting in the development of crack-tip shielding due to crack wedging, has become widely accepted as a critical mechanism influencing many aspects of the behaviour of fatigue cracks in metallic materials; these include effects of load ratio, variable-amplitude loading, crack size, microstructure, environment and the magnitude of the fatigue threshold. Recently, however, the significance of crack closure has been questioned and alternative suggestions made for many of these phenomena, e.g. the effect of the load ratio (i.e. the ratio R of the minimum to maximum loads) on threshold behaviour. In the light of this, the present paper provides evidence to rebut the assertion that crack closure is an insignificant process. Particular attention is given to the effect of crack closure on the threshold level as a function of load ratio.     

CRACK CLOSURE: A CONCEPT OF FATIGUE CRACK GROWTH UNDER EXAMINATION

Abstract— In recent literature it is asserted that the concept of crack closure in fatigue fracture mechanics is not capable of explaining fatigue crack growth behaviour. The reasons given are that both asperity induced crack closure and plasticity induced crack closure should be either negligible or non-existent. We have re-considered these hypotheses since their correctness would completely change the established picture of fatigue crack growth. In order to get mathematically tractable systems the present studies are confined to long cracks loaded in mode I. The results suggest that in case of asperity induced crack closure the proposed hypothesis is only true in special cases and the demonstration of the non-existence of plasticity induced crack closure is proved to be wrong.     

多轴载荷下车轮辐板裂纹扩展特性研究

针对车轮在运行过程中的典型运用工况,采用有限元方法数值模拟了不同运用条件下车轮的机械应力分布,选取辐板最高应力部位作为裂纹的萌生位置。根据线弹性断裂力学理论研究了辐板裂纹在二轴载荷下的应力强度因子和T应力,最后结合Paris疲劳裂纹扩展方程及裂纹扩展门槛值,得到了二轴载荷下辐板表面裂纹的扩展特性和规律。从而得出了二轴载荷条件对辐板表面裂纹扩展的影响。分析结果表明:典型工况下,车轮辐板外侧处于受压状态,内侧处于受拉状态而且变化幅值较大。车轮辐板的内外表面的应力不同,使得辐板同时承受了弯矩,并且弯矩的周向分量和径向分量近乎于正比。由于T应力的影响,车轮辐板裂纹扩展速度比不考虑此应力时的值较为偏低。分析结果对预防车轮疲劳失效、优化车轮设计、保障行车安全,具有重要意义。     

拉-压循环加载下铝合金疲劳裂纹扩展的压载荷效应研究

应用弹塑性有限元方法与增量塑性损伤理论指出疲劳裂纹扩展的压载荷效应是裂纹尖端塑性损伤的结果, 建立了在拉-压循环加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率的双参数预报模型, 对LY12-M 高强铝合金MT 试件在应力比R=0、-0.5、-1、-2 进行了疲劳裂纹扩展实验。结果表明:当最大应力强度因子K_max相同时, 恒幅拉压加载(应力比R<0)的疲劳裂纹扩展速率明显高于恒幅拉拉加载(应力比R=0)的情况, 拉-压循环载荷的压载荷部分对疲劳裂纹扩展速率具有促进作用。该文得出的LY12-M 铝合金在拉-压循环加载下的疲劳裂纹扩展速率预报模型与实验结果符合较好。     

混凝土经历三向受压荷载历史后强度劣化及超声波探伤方法的研究

本文采用混凝土立方体试件,对其施加三轴受压荷载历史作用,分别测量载前和载后的抗压强度、劈拉强度和超声波速。基于连续介质损伤力学理论,用抗压强度和抗拉强度的劣化来定义混凝土的损伤,研究了经历过三轴受压荷载历史后损伤与超声波速降低的关系。根据试验数据拟合得到损伤的演化方程,从中可以看出损伤与超声波速的降低之间具有较好的线性相关性。研究结果表明,作为混凝土非破损检测技术中的一种重要方法,超声波探伤方法所需设备简单,操作方便,可以广泛应用于混凝土结构损伤检测。     

A537钢疲劳裂纹扩展单次拉伸超载效应及裂尖形变,裂纹闭合行为

研究了恒定ΔＫ条件下，单次拉伸超载对Ａ５３７钢疲劳裂纹扩展速率的影响，并利用激光散斑技术原位研究超载前后的裂尖应变场，裂纹闭合效应。结果表明：超载后裂纹闭合效应呈增强趋势，裂尖应变呈下降趋势。伸超载有阻滞裂纹扩展的作用。     

玻璃表面裂纹扩展的数值模拟

在玻璃上预制可控表面裂纹，测得裂纹沿长度方向的扩展数据，利用裂纹扩展阻力轴曲线，对表面裂纹的扩展作数值模拟，得到裂纹深度和深长比数据，为了解表面裂纹的扩展过程提供依据。