年第期疲劳裂纹的闭合效应张峰马鞍山钢铁股份有限公司摘要疲劳裂纹的闭合现象改变了传统的疲劳裂纹扩展理论虽然它的迟滞机制并没有引起材料痰劳断裂杭力任柯本质的改善而仅仅提高了表观的或非本质的失效杭力但只要很好地理解并应用它将会给准确地设计工程寿命提供很大的帮助关锐词应力强度因子裂纹闭合迟滞效应玩引言因子”的单一标量来确定线弹性断裂力学问世后工程术语“疲劳”通常表示材料在应力或应变的人们开始尝试用应力强度因子来描述疲劳裂纹的扩反复作用下所发生的性能变化特别指当这些变化展于年首次指出在恒幅循环加载中疲导致了开裂或失效的时候劳裂纹在每个应力循环过程中的扩展量与疲劳破坏存在不同的阶段每一个疲劳失效过应力强度因子范围△有关此后他们的理论被广程都经历了疲劳损伤裂纹萌生和裂纹扩展及断裂泛用来描述在裂纹顶端存在小范围塑性形变条件下扩展过程如果材料破坏完全由外加波动载荷引起则整的疲劳裂纹这种理论精妙之处在于裂纹顶端个失效过程称为机械疲劳循环载荷同高温联合作小范围屈服条件下由远场加载条件和裂纹体的几用造成蠕变疲劳循环受载部件的温度也变动时引何尺寸确定的应力强度因子范围是描述疲劳裂纹扩入了热机械疲劳即热疲劳与机械疲劳的组合在展的唯一参量采用这一方法并不要求预先详细了存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复解有关的疲劳断裂机制提高了实用性载荷时产生了腐蚀疲劳载荷的反复作用与材料之年发现即使在循环拉伸载荷的作间的滚动接触相结合称为滚动接触疲劳脉动应力可能保持闭合状态用下疲劳裂纹也有这表明疲劳与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用称为裂纹扩展速率的控制因素或许不是应力强度因子范微动疲劳机械零件及结构部件的失效大多数是由围△的名义值而是它的有效值这个△有效值上述某一种疲劳过程造成的体现了扩展裂纹顶端后部断裂表面细节的影响对年进行了开拓性研究指出可以用不同类型的裂纹闭合研究的结果表明疲劳裂纹扩一个称作为应力强度因子的标量来表示裂纹顶展速率不仅与△的瞬时值有关而且与加载历史端应力场奇异性的大小他证明了裂纹尖端前的应和裂纹尺寸有关由于在疲劳断裂力学中要考虑几力幅应变和形变奇异场能以一个被称为“应力强度何条件的影响断裂力学一般应用中所包含的相似作者筒介张峰高级工程师安徽省马鞍山市马钢技术中心年第期安徽冶金”性概念已不再适用这个概念认为只要△相同屈服或小范围损伤条件则应力程度因子”仍不同尺寸的带裂纹构件会有相同的裂纹扩展速率能作为描述奇异场强度的唯一参量为了确保小范围屈服条件对延性固体中裂纹尖端处的塑性变形试验结果指出当远场△值相同时物理疲劳小裂纹长度小于几个毫米且可用线弹性断裂力学来描述的扩展速率往往明显高于长裂纹典型的长裂纹达几十毫米的扩展速率此外尺度同特征微观组范围进行定量估计是很重要的塑性变形区尺寸由屈服准则来确定‘〕平面应力状态平面应变状态一叹︺织结构尺寸相当或比之更小的疲劳裂纹其扩展速玖一率常常随裂纹长度的增加而下降不能用现有的断裂力学理论来分析这类裂纹扩展“矗年”对于循环拉压加载式中的屈服强度由△由味最早明确提出这种所谓的小裂纹问题该问题对代替拉伸屈服至压缩屈服间所对应的应力范围由下式给出由实验室小尺寸试样的试验数据来进行大型结构件设计的设计方法学的发展有重大的影响代替则平面应力状态下循环塑性区尺寸世纪年代后期以来人们在裂纹闭合现象和裂纹尺寸对疲劳断裂发展的影响研究方面投入了大量精力并尝试建立存在大范围塑性形变和附近有应力集中情况下的疲劳裂纹扩展描述方法工甜△’当承受压缩循环载荷时在未闭合的裂纹尖端或其它应力集中区由于反复塑性流变的存在尤其是变幅疲劳的作用在裂尖附近区域能建立起一个残余拉应力区这就是承受完全的压缩载荷循环时断裂力学原理断裂力学的相似形原理指出对于受到某一特定载荷历史作用的特定材料一环境体系即使试样尺寸不同试样中的裂纹几何条件也不一样只要描金属材料的缺口板中发生裂纹萌生和稳态裂纹增长的主要原因对于非线性断裂力学表征小范围屈服条件下的近裂纹尖端场的应力强度因子已无效弹塑性年的述参量例如小范围屈服中的取值相等裂纹的断裂的渐近奇异场非矢量幅则是积分这个与路径无关的积分定义为一近顶端条件就基本相同在不考虑裂纹阻滞机制的条件下可以唯一地用△来描述线弹性疲劳裂纹的式中量民扩展这样可以认为有关不同试样中的裂纹扩展机制是相同的但是当远场加载条件与裂纹近顶端条为沿着一个完全包围裂纹尖端的任意回线为垂直裂纹面方向上的距离为应变能密度由丁洲一癸·,件明显不同时以及当疲劳裂纹的尺寸对于这种差异有明显影响时基于表征参量名义值的相似性概的弧长为位移分为拉应力矢量一彻八念就不再适用了小裂纹问题实质上是由于不能唯一地用断裂力学参量来描述具有各种不同尺寸的疲关系定义劳裂纹的尺寸扩展而出现的对于一个含有长度为疲劳裂纹的扩展的中心穿透裂纹的板承受循环载荷构件的总寿命由裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段组成现代损伤容限疲劳设计方法的前提是工程构件原本就带有裂纹其有效疲劳寿命是假设构件由初始裂纹尺寸扩展到某个临界尺寸所件承受远场拉伸力。。在这种情况下裂纹尖端张开型应力强度因子表达式为石而式中为几何修正因子对于无穷大板中一需的时间或循环次数在循环载荷作用下大多数金属材料发生突发性失效之前要经历一段裂纹稳态扩展期在这期间裂纹扩展速率与平均应力试验频率与环境条件等有着一定的关系式能够唯一地表征裂纹尖端场和断裂发生的条件但是对于距裂纹尖端很近的区域因子解将失去意义因为那里发生了塑性变形或其它损伤过程假如与开裂试样的特征尺寸包括裂纹尺寸和未开裂韧带尺寸相比损伤过程区疲劳裂纹前缘的塑性形变区对弹性应力场的干扰很微弱时可以用线弹性断裂力学的解来对疲劳断裂做合理的连续介质描述正如即裂尖“处的永久非线性变形区的尺寸较小具备小范围提出的在孟艺。。期年第弓用线弹性断裂力学描述循环变化应力场中的疲劳裂纹扩展速率时应该用应力强度因子范围来描述裂纹扩展速率塑性诱发的裂纹闭合应用线弹性断裂力学来描述疲劳裂纹扩展速率是基于可以把疲劳裂纹理想化为无宽度的锯与应力强度因子范围成幂律关么。口这一系假定的即疲劳裂纹顶端前缘的么二场是决定发生小气,川。范围屈服时的裂纹扩展条件的唯一因素然而裂纹了理丫土一〔△工闭合效应使人们第一次认识到裂纹扩展速率不仅式中和为常数材料的微观组织结构屈服强受到裂纹顶端前缘状态的制约而且也受到裂纹顶端后部裂纹面接触性质的影响由于裂纹顶端后部度循环加载的频率和波形环境温度载荷比及应力状态即平面应力或平面应变对和,都的状态与加载历史裂纹长度和应力状态这些因素有影响式门有关因此加载历史对疲劳裂纹扩展速率有很大的虽然是一个经验公式但是在分析多种材影响裂纹只有在裂纹面完全分离的疲劳载荷循环部料及多种疲劳试验条件卜的疲芳裂纹扩展中它仍是最适用的表达式之二、分可能扩展于是对裂纹扩展有贡献的有效应力幂律关系的简洁性为疲劳构件的没讨或范围别为么山和相应的有效应力强度因子范围△分失效分析提供了一种有效的寿命估算方法利用式‘进行积分运算把假定的初始缺陷尺寸。作为积式么氏么卜‘氏一一么口分下限把临界裂纹尺寸。作为积分上限就可以一一一么‘月计算出疲劳寿命或致断疲劳循环周次么和么分别是外加应力范围和外加应力强稳态疲劳裂纹扩展服从八二幂律关系即度因子范围从线弹性断裂力学得到的疲劳裂坟扩展速率的表达式相应成为一、随△作线性变化但该关系只适用于材一料裂纹扩展阻力曲线中的区的么段当△值低于,、岌一‘,夕时裂纹扩展速率发生显著的变化在低近期的研究发现除之外试样儿何条件应位区每个载荷循环的平均扩展量小于点阵间距并存在个应力强度因子范围的门槛值力状态应力强度因子范围和环境等因素对都有么当△很人的影响低于该门槛值时裂纹或者完全不扩展或者以无法检测到的速率扩展当随氧化物诱发的裂纹闭合在疲劳裂纹扩展过程中潮湿气氛可使新形成的断裂表面氧化当循环裂纹顶端张开位移的幅值么高于该门槛值时、么的增加而急剧升在近门槛值区疲劳裂纹扩展主要涉及非连续失效生程其疲劳裂纹扩展速率小于州较低时也就是在近门槛值△水平和低比的情铸周它的微观失效模式是裂纹沿况卜由于局部区域出现混合模式的裂纹张开还由于断裂面的微观粗糙性和存在一些塑性诱发闭合主滑移系方向以纯剪切方式扩展扩展路径为字形虽然裂纹长度比晶粒尺寸大得多只要近顶端在拉伸疲劳过程中裂纹面发生反复接触的可能性增塑性区的尺寸比晶粒尺寸小即△值很小就能加在低△水平裂纹顶端后部的氧化物表皮连续发生这种扩展模式破裂和再生成这种微动磨损机制可导致形成具有定厚度的氧化层裂纹闭合叮于由于大多数低强度钢在低年首次从实验中发现在恒幅疲劳比条件下门槛处微米。的最大裂纹顶端张开位移的量级只有零点循环下即使远场为拉伸载荷疲劳裂纹也能够闭所以可以想象裂纹有可能被氧化膜楔住在高比的条件卜任何合曰,认为在疲劳裂纹顶端的后部存在一个残么水平的裂纹顶端张开位移都余延性变形区它使裂纹张开位移减小因而也使裂较人所以裂纹面接触的可能性减小另外在高水平时裂纹扩展速率通常很快因此任何么纹面之间提前接触疲劳裂纹扩展的表观驱动力厂降值下都小会发生大规模的氧化微动磨损氧化机制对裂年第期安徽冶金纹闭合的影响将微不足道裂纹面粗糙诱发的裂纹闭合长裂纹近门槛疲劳区的裂纹扩展是通过单滑移机制实现的在低△水平的条件下通常最大塑性区的尺短裂纹飞七之望寸平均要小于特征显微组织尺寸例如晶粒尺寸这有利于晶体学断裂过程的发展裂纹顶端前缘的永久塑性变形和从峰应力卸载过程中的滑移不可逆性可使相对两断裂面的凸凹之间错位低比下的门槛处最大裂纹张开位移的量级是零点几微米而在粗晶材料中粗糙断裂面凹凸不平的高度可达几十微米因此裂纹闭合易于在低载荷比和低扩展速率八下出现图短裂纹长裂纹亚临界裂纹扩展特性小裂纹现象导致的裂纹闭合裂纹尺寸明显超过显微组织的特征尺度或局部高疲劳寿命对延性固体中的疲劳裂纹施加拉伸过塑性区尺寸只是从物理上讲属于“小”的范畴这种载可能会导致裂纹扩展的严重迟滞甚至完全停止裂纹的长度一般小于一裂纹适合于采用基压缩过载降低了裂纹闭合效应于线弹性断裂力学的表征方法但裂纹扩展仍然可裂尖应变硬化及压缩过载的施加使断裂表面的能呈现出表观上的不正常行为这是因为物理小裂凹凸不平变得光滑使钝化的裂纹尖端重新锐化或纹的尾迹较小而长裂纹的尾迹已充分建立起来与者因为压缩过载产生的残余拉应力加速裂纹扩展长裂纹相比物理小裂纹具有相对低一些的裂纹闭合水平因此由于裂纹闭合水平上的差异致使小裂结语纹扩展明显比相应的长裂纹快见图闭合效应对材料疲劳裂纹的扩展产生了巨大影采用由高△水平降载的试验来测定疲劳阂值响虽然它的迟滞机制并没有引起材料疲劳断裂抗△。时由于裂纹闭合会导致明显偏高的△。值力任何本质的改善而仅仅提高了表观的或非本质如果在循环载荷下预制一个小的穿透裂纹然后采的失效抗力只要很好地理解并应用它将会给准确用增加应力强度因子的方法确定△。便会得到一设计工程寿命提供很大帮助个较为保守门槛值类似的如果在高应力比和恒定二条件下进行疲劳阂试验即使对长裂纹也会得参考文献到较低的△。值因为这种条件下裂纹闭合效应不坎贝尔等断裂力学在选材方面的应用北京冶金显著工业出版社一超载引起的裂纹闭合大量的金属和非金属材料的变幅疲劳裂纹扩展收稿日期一一的试验观察清楚地表明周期性超载可以大幅度提
