材料疲劳裂纹扩展

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1、材料疲劳裂纹扩展19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏冇着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹

2、扩展问题的方法和理论。经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展冇力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年)，Elber的裂纹闭合理论(1971年)，Wheeler等的超载迟滞模型(1970年)，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Scideinanda和Vasudevan(1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。根据现冇的研究结果，冇学者提出，若按照“塑性钝化模型”理论，强度高的材料应具

3、有较低的裂纹扩展速率，但实验结果却不能证实这一预测。另外，该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上不妥，也与实测结果不符。观察结果表明，裂纹尖端钝化是一个渐进的过程，钝化半径与外载荷大小成止比。而疲劳裂纹在扩展过程屮的“裂纹闭合效应”在什么情况下存在，能否对材料的裂纹扩展速率产牛重要影响，考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否用于工程屮等问题也一直在人们的争论之屮。由于“裂纹闭合效应”理论推出的结论是:“对载荷比的依赖性不是材料的内在行为，而是源于裂纹表面提前闭合后应力强度因了幅(△!<

4、)的变化”，所以早在1984年S.Suresh等人就指出：“裂纹闭合”不是一个力学参数，它受构件形状、载荷、环境和裂纹长度等因素的影响。因此,除非在实际使用过程中测量构件的裂纹闭合情况，否则在实验室里做出来的试验结果不能用来预测构件屮的裂纹扩展速率。1970年，Ritchie研究钢屮裂纹扩展的近门槛值时发现:在真空环境下，应力比R对门槛值几乎没有影响，首度质疑了裂纹闭合的存在性和所起的作用。在前人研究的基础上，美国海军实验室的K.Sadanada和A.K.Vasudevan等人经过多年的研究，从理论上证明了“不论在平面

5、应变还是平面应力条件下，在裂纹张开过程中产主的塑性区不能导致裂纹的闭合”，并且指出，由表面粗糙度、氧化等因素导致的裂纹的提前闭合虽然存在,但在大部分情况下对裂纹尖端应力只有小的影响。现有的疲劳裂纹扩展的定量模型都是建立在连续介质力学基础上。在线弹性范围内，可以用应力强度因子来描述应力一应变场的全部特征。对此，已形成了很多较成熟的理论表达式和测试方法，但应用最为广泛的还是Paris-Erdogan公式(da/dN二C(AK)m)、Forman方程da/dN=[C(AK)m/[(1-R)KIC-AK],以及由郑修麟教授和H

6、irr教授提出的考虑了裂纹扩展门槛值的裂纹扩展速率方程da/dN=B(AK-AKth)。这3个方程都可以很好的对裂纹在第二阶段的扩展特性进行描述，但也冇一部分科学家进一步将应力比、温度、频率等因素对材料裂纹扩展的影响转化为一些表示具体含义的参数，使裂纹扩展表达式更能直观的表现出影响裂纹扩展的具体内在因素。“断裂力学”认为，对于线弹性模世屮的裂纹扩展，如果两个不同的裂纹具有相同的应力场，就会有相同的裂纹扩展速度。裂纹每周的扩展量da/dN取决于应力强度因子的范围在材料本身的性质没有发生变化的条件下（比如:试验所用材料组织

7、相同，屈服强度、弹性模量、粘一羯性应变性质等相同），如果△!＜保持不变，裂纹就以恒定的速率扩展。但是，当改变周期载荷的应力比时发现，虽然应力比没有改变材料的性质，但是在大多数情况卜，虽然△!＜值相同，材料的裂纹扩展速率却有着显著的不同。解释应力比对合金裂纹扩展速率的影响，通常是从“平均应力”和“裂纹闭合效应”两个方面进行的。前者的实质是裂纹扩展不仅由△!＜决定，最大应力强度因子Km“x也是不可忽略的。而后者是Elber对于“最小载荷没有限制，而最大载荷给定不同应力比也会导致材料裂纹扩展速率不同”这种现象提出了新参数△K

8、eff,引入了广为人知的“塑性导致闭合效应”的新观点。自“裂纹闭合效应”这一概念提出以后，研究“裂纹闭合”成为了一个非常活跃的研究领域，许多实验证明了“裂纹提前闭合”的情况是存在的，并H应用这个观点，很多试验现象都得到较为完美的解释。但是Elber的观点表明：“应力比对裂纹扩展的影响，不是材料的木质行为，而是来源于由于裂纹表血的提