結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展PPT

1、第八章 疲勞裂紋擴(kuò)展8.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率 8.2 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)8.3 影響疲勞裂紋擴(kuò)展的若干因素8.4 疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)返回主目錄1前節(jié)回顧:The plot of log da/dN versus log DK is a sigmoidal (S形) curve. This curve may be divided intothree regions. At low stress intensities, cracking behavior is associated with threshold effects. In the mid-region, the curve i

2、s essentially linear. Finally, at high DK values, crack growth rates are extremely high and little fatigue life is involved.lg da/dN1 2 310-5 -610-9lg ( K)DcK=(1-R)K=(1-R)KmaxthDK2Most of the current application of LEFM concepts to describe crack growth behavior are associated with region 2. In this

3、 region the log da/dN versus log DK curve is approximately linear and lies roughly between 10-7 and 10-4 mm/cycle. Many curve fits to this region have been suggested. The Paris equation, which was proposed in the early 1960s, is the most widely accepted.大多數(shù)用線彈性斷裂力學(xué)描述裂紋擴(kuò)展的應(yīng)用是與區(qū)域2相關(guān)的。在這一區(qū)域，logda/dN -

4、log DK曲線近似線性且在10-7-10-4 mm/c間。已有許多擬合曲線提出，60年代初的Paris公式是應(yīng)用最廣的。 38.3 影響疲勞裂紋擴(kuò)展的若干因素 K是控制da/dN的最主要因素。 平均應(yīng)力、加載頻率、環(huán)境等的影響較次要，但有時(shí)也不可忽略。 同一材料, 由不同形狀、尺寸的試件所得到的da/dN-K曲線相同。da/dN-K曲線可以描述疲勞裂紋擴(kuò)展性能。K Mpa.m1/2 4 10 20 40lgda/dN (m/c)-9-8-7-6碳鋼R=0.05K Mpa.m1/2 41. 平均應(yīng)力或應(yīng)力比的影響注意到 a=(1-R)max/2， m=(1+R)max/2； 有：故a 給定時(shí)，

5、 R ，m 。討論應(yīng)力比的影響，就是討論平均應(yīng)力的影響。amRRss)1()1(-+= R0、R0時(shí)，min0。a 給定，R ， min ， max 。三個(gè)速率區(qū)域內(nèi)，da/dN均增大。da/dN-K 曲線整體向左移動(dòng)。Forman公式：KKRKCdNdaCmD-D=)1()( K=(1-R)Kmax KmaxKc，分母0，da/dN。KKth，da/dN0。若考慮Kth的影響，有：dadNCKKRKKmthmc=-()()()DDD16thKR=0.8 0 -1 lgda/dNDlg( K)D低速率區(qū)，R，Kth。 R0的情況：負(fù)應(yīng)力存在， 對(duì)da/dN三區(qū)域的影響不同。 情況比R0時(shí)復(fù)雜得

6、多。0 .2 .4 .6 .8 1.087654321低碳鋼低合金鋼不銹鋼A517-F9301A508CA533B 不同鋼材的R-Kth 關(guān)系R Kth Mpa.m1/2有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為： Kth= K0th(1-R)Koth是R=0時(shí)的基本門(mén)檻應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度。參數(shù)、由實(shí)驗(yàn)確定。圖中鋼材的下限為： Kth=7.03(1-0.85R)7Formans equation is often used to predict stress ratio effects. As R increases, the crack growth rate increases. This is consistent w

7、ith test observations. Formans equation is valid only when R0. Generally, it is believed that when R0, no significant change in growth rate occurs compared with the R=0. Again this is material dependent, as some researchers have obtained data for certain materials which show higher growth rates for

8、R0時(shí)正確。一般認(rèn)為與R=0相比，R0對(duì)da/dN沒(méi)有顯著影響。這仍與材料有關(guān)，對(duì)有些材料，也有研究者在R0時(shí)得到較高da/dN。8但是，在高溫或腐蝕環(huán)境下，頻率及波形對(duì)da/dN的影響顯著增大，是不容忽視的。2. 加載頻率的影響30Cr2WmoV鋼(30萬(wàn)千瓦汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子鋼)頻率影響實(shí)驗(yàn)。低速區(qū)：加載頻率對(duì)da/dN基 本無(wú)影響。中速率區(qū)：f，da/dN。有： da/dN=C(f )(K)m=(A-Blgf)(K)mlg (da/dN)0.7111049801000030Cr WMoVlg ( K)2Df(次/分)在室溫、無(wú)腐蝕環(huán)境中，f=0.1100Hz時(shí), 對(duì)da/dN的影響可不考慮。

9、循環(huán)波形影響是更次要的。9腐蝕介質(zhì)作用下，裂紋可在低于K1C時(shí)發(fā)生擴(kuò)展。試件加載到K1，置于腐蝕介質(zhì)中。記錄裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的時(shí)間tf。腐蝕疲勞是介質(zhì)引起的腐蝕破壞過(guò)程 和應(yīng)力引起的疲勞破壞過(guò)程的共同作用。這二者的共同作用，比任何一種單獨(dú)作用更有害。1） 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 (Stress corrosion cracking)3. 腐蝕環(huán)境對(duì)da/dN的影響K1 K1scc，tf，(約1000小時(shí))。K1scc是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂門(mén)檻值。K1K1scc不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。K1K1cK1scc0tf10(da/dN)CF與K的關(guān)系如圖，可分為三類(lèi)：2）腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率 (da/dt)CF(1-R)Kcth

10、CFDda/dNKKAA類(lèi) ；(K)thCFKth腐蝕使(da/dN)CF普遍加快，如鋁合金在淡水中。B1sccDda/dN(1-R)KK(1-R)KcB類(lèi)：KmaxK1scc, 腐蝕 使da/dN)CF。馬氏體鎳在干氫中.1sccDda/dN(1-R)KKC(1-R)KcC類(lèi)：AB混合型 如高強(qiáng)鋼在鹽水中。加載頻率越低，腐蝕過(guò)程越充分，(da/dN)CF越快。11The fatigue crack growth rate can be greatly influenced by environmental effects. These effects are extremely compli

11、cated duo to the large number of mechanical, metallurgical, and chemical variables and the interaction between them. 環(huán)境效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響很大。由于有大量的機(jī)械、冶金和化學(xué)因素及其相互作用，環(huán)境效應(yīng)極其復(fù)雜。The environmental effect on fatigue crack growth rate is strongly dependent on the material- environment combination. Several additi

12、onal factors that influence the environmental effect are frequency of loading, temperature, waveform of loading, and stress ratio.環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響強(qiáng)烈地依賴于材料與環(huán)境的組合。影響環(huán)境效應(yīng)的一些附加因素是加載頻率、溫度、加載波形和應(yīng)力比。12In general, at low frequencies, crack growth rate increase as more time is allowed for environmental attack

13、during the fatigue process. 一般地說(shuō)，低頻率時(shí)裂紋擴(kuò)展速率增大，因?yàn)樵谄谶^(guò)程中環(huán)境效應(yīng)有更充分的時(shí)間作用。Reduced fatigue life is usually observed with increasing temperature. In addition, environmental effects are usually greater at elevated temperature, which is duo in part to oxide action.溫度增加，通常使疲勞壽命降低。同時(shí)，高溫下環(huán)境的影響更大，這有一部分是氧化作用所致。No

14、effect of waveform on fatigue crack growth rate is usually observed in air. But in corrosion environment, higher da/dN generally occur if increasing tensile portion of the loading cycle occurs more slowly. 在空氣中，一般觀察不到波形對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。但在腐蝕環(huán)境中，若載荷循環(huán)的拉伸部分作用慢， da/dN一般較高。138.4 疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定材料的 da/dN-DK 曲

15、線一、試驗(yàn)原理：Paris公式： da/dN=C(K)m實(shí)驗(yàn)a =a0 R=0 記錄ai、Ni(K)i=f (,ai,)(da/dN)i=(ai+1-ai)/(Ni+1-Ni)ai=(ai+1+ai)/2lg(da/dN)=lgC+mlg (K) 最小二乘法C, m? a (mm)a0ND s=const.R=0DaiDNilgda/dNlg(DK)14二、試樣L=4WWaD P 三點(diǎn)彎曲2孔f 0.25WDPDPaW1.25W1.2W0.55W 緊湊拉伸中心裂紋DsWBDs2a建議厚度：W/20 B W/4BWa1a2a3a4a5疲勞裂紋前緣太厚： 疲勞裂紋前緣舌型大，表面讀取的尺寸與內(nèi)部相

16、差大。若用B=W/2，常需作尺寸修正。15三、試驗(yàn)方法DPDPaW1.2W緊湊拉伸試樣hnDai1.預(yù)制裂紋要求:(CT試樣為例)切口尺寸： an0.2W (保證LEFM的K解可用)疲勞預(yù)裂： Daimax0.1B, h (避開(kāi)切口對(duì)裂尖的影響)預(yù)裂載荷: R與試驗(yàn)相同； Kmax不大于開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)的K值。 (保證裂紋足夠尖銳，但所需時(shí)間長(zhǎng)) 若用較大的Kmax預(yù)裂，應(yīng)按規(guī)定逐級(jí)降載。162. K增加試驗(yàn)法da/dN-DK曲線一般分為三個(gè)區(qū)域。不同的區(qū)域，試驗(yàn)方法不同。 K增加試驗(yàn)法用于中高速率區(qū)。名義K梯度 C：dadKKC1=K隨裂紋擴(kuò)展的變化率若應(yīng)力比R不變有：dadKK1dadKK1ma

17、xmax=dadKK1minmin=dad(DK)K1=D在恒幅載荷試驗(yàn)中，DP=const., 故有： d(DK)0, C0, 是K不斷增加的試驗(yàn)方法。173. K減小試驗(yàn)法K減小試驗(yàn)法用于低速率區(qū)。lg da/dN1 2 310-5 -610-9lg ( K)D？名義K梯度 C：dadKKC1=0K增大試驗(yàn)法0aDK orDPDPDKR不變時(shí)有：dad(DK)K1=DC將上式從a0到a積分，得到：DK=DK e0C(a-a0)標(biāo)準(zhǔn)建議 C-0.08mm-1。由此可計(jì)算不同a時(shí)的DK、DP。18 小 結(jié)1）若arp, 則線彈性斷裂力學(xué)可用。 應(yīng)力強(qiáng)度因子為： K=f(a)；中心裂紋：f(a)

18、=1.0；邊裂紋：f=1.12。 2）疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要控制參量是K， 下限有Kth, 上限有(1-R)Kc。 K=Kmax-Kmin=f(a) R0, min0 =Kmax R0, min0 裂紋不擴(kuò)展條件 K= f(a0) Kth 臨界裂紋尺寸 Kmax=Kc ac=(1/)(Kc/fmax)219m=2m23）Paris公式： da/dN=C(K)m 在恒幅循環(huán)載荷作用下，積分后有：4）初始裂紋尺寸a0對(duì)壽命影響很大，要控制a0。5）R ， da/dN ；頻率 ，da/dN ； 腐蝕環(huán)境下da/dN增高； 高溫、腐蝕環(huán)境下，加載頻率影響增大。 206）基本疲勞分析方法的比較 應(yīng)力疲勞

19、法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法方法SSy； NNt SmN=C;Sa/S-1+Sm/Su=1 D=n/N=1相對(duì)Miner理論NA=NB 無(wú)限壽命設(shè)計(jì) SSf(n/N)B(n/N)ASSy； NNt ea=sa/E+(sa/K)1/nDe=Ds/E +2(Ds/2K)1/nNeuber曲線: DsDe=Kt2DSDeeeeaeapa=+=sefbfcENN+()()22SSy;rpa,裂紋不擴(kuò)展 KKth臨界裂紋： Kmax=KcParis公式： da/dN =C(K)m21 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法優(yōu)點(diǎn)1、材料參數(shù) 少，易于 獲取。2、分析方法 簡(jiǎn)單。3、有大量的 數(shù)據(jù)積累1.能描述循

20、環(huán)應(yīng) 力應(yīng)變響應(yīng)。2.可考查載荷次 序影響。3.利于缺口疲勞 分析。4.利于疲勞-蠕變 混合分析。1.可考慮裂紋擴(kuò) 展。利于控制2.對(duì)擴(kuò)展機(jī)理有 較好物理解釋3.可控制初始損 傷，檢查周期 使用載荷等， 以保證安全。22 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法缺點(diǎn)1. 經(jīng)驗(yàn)性，不 考慮裂紋。2. 材料參數(shù)與 試件幾何、 載荷形式有 關(guān)，通用性 較差。3. 缺口效應(yīng)難 于分析。1. 分析計(jì)算 較復(fù)雜。2. 只考慮裂 紋萌生。3. 缺口分析 過(guò)于偏保 守。1. 不研究裂紋起 始。2. a0往往難于估 計(jì)。3. 構(gòu)件幾何復(fù)雜 時(shí)難算K。4. LEFM不滿足 時(shí)要用EPFM.23 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法

21、斷裂力學(xué)法應(yīng)用1. 長(zhǎng)壽命構(gòu)件 如傳動(dòng)軸、 彈簧、齒輪 等。2. 高強(qiáng)材料, SSy, ac小3. 初步設(shè)計(jì)估 算。4. 與LEFM一 起作全壽命 分析。1. 構(gòu)件N小， 塑性應(yīng)變大 如低強(qiáng)結(jié)構(gòu) 鋼缺口件。2. 高溫、大應(yīng) 變情況。3. 高應(yīng)力集中 情況。4. 與LEFM一 起作全壽命 分析。1. 大型，重要結(jié) 構(gòu)件，如飛機(jī) 結(jié)構(gòu)，核反應(yīng) 堆，壓力容器2. 預(yù)先有裂紋存 在的結(jié)構(gòu)，如 大型焊、鑄件3. 尖缺口壽命。 （近似裂紋）24summaryFracture mechanics approaches provide an estimate of the crack propagation

22、fatigue life.The fatigue crack growth rate can be related to the stress intensity factor range. From this, cycles to failure may be calculated. The fatigue life estimate is strongly dependent on the initial crack size, ai , large changes in the estimate of the final crack size, ac, result in only small changes in the life estimate. 25問(wèn)題2：變幅載荷作用次序，對(duì)da/d