疲劳裂纹扩展规律研究

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 摘 要

以Paris公式和Walker公式为基础，提出了两种适用于全范围的疲劳裂纹扩展速率表达式，揭示了疲劳裂纹扩展在不同阶段的不相同的变化规律。并以弹塑性断裂理论为基础，用J积分对疲劳裂纹扩展率的工程计算，导出D-M模型下的疲劳寿命工程计算。

对在残余应力和压力场下的疲劳裂纹扩展规律进行了分析，并且对高温下疲劳裂纹扩展的规律进行了研究。另外还介绍了一套利用电位法编制的疲劳裂纹扩展测试系统，利用此系统再配置适当的硬件就能自动进行疲劳裂纹扩展的数据采集和数据处理。

最后以16Mn钢十字型焊接接头为试样，研究了在横幅拉伸时接头的疲劳裂纹萌生、扩展特性，并对寿命进行了估算。分析影响疲劳裂纹扩展的因素。

关键词：疲劳裂纹；扩展速率；门槛值；剩余寿命；测试系统

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） Abstract

Based on Paris and Walker formula, puting forward two fatigue cracks expansion rate expressions apply to the whole area to reveal fatigue cracks at various stages of the expansion is not the same changes. And flexibility and plasticity fracture theory as a basis on fatigue cracks in J integral rate of expansion of engineering computing, exported D-M models of fatigue life in engineering computing.

Under the residual stress and pressure field, I analyzed fatigue cracks expansion under the high temperature and studied the fatigue cracks expansion .Then introduced another way worked out by the use of electrical potential fatigue cracks expansion test system and used this system with the appropriate hardware configuration for automatically collecting and processeing data of fatigue cracks expansion .

Finally using welded joints of 16Mn steel Cruciform for the specimen, I studied horizontal stretch, joints fatigue cracks inception, expansion characteristics, and life expectancy estimate. then analyzed the factors of affecting fatigue cracks expansion

Key words : fatigue cracks; expansion rate; threshold value; residual life; test system

II

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文）

目 录

第1章 概 述 ...................................... 1

1.1 引言 ........................................... 1 1.2 本文的研究工作及内容 ............................ 4 第2章 疲劳裂纹扩展规律研究........................... 6

2.1疲劳裂纹扩展速率 ................................ 6 2.2 疲劳裂纹扩展理论门槛值.......................... 13 第3章 疲劳裂纹扩展 ................................ 20

3.1 高温疲劳裂纹扩展 ............................... 20 3.2残余压应力场下疲劳裂纹扩展 ...................... 23 3.3 残余应力下疲劳裂纹扩展.......................... 26 3.4 疲劳裂纹扩展测试系统 ........................... 30 第4章 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 .................... 34

4.1平均应力影响 ................................... 34 4.2 超载的影响 ..................................... 35 4.3加载频率影响 ................................... 37 4.4温度影响 ....................................... 37 4.5材料本身的影响 ................................. 38 第5章 剩余寿命计算 ................................ 40

5.1 用J积分估算疲劳裂纹寿命 ........................ 40 5.2 焊接接头疲劳裂纹扩展寿命计算 .................... 41 结 论 ........................................... 46 参考文献 .......................................... 47 致 谢 ........................................... 49

III

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 第1章 概 述

1.1 引言

1.1.1 疲劳裂纹扩展特点

实践表明[1]，含有初始裂纹缺陷的构件，即使这些初始裂纹缺陷未达到失稳扩展的临界尺寸，但在交变应力作用下，将会逐渐扩展，引起构件疲劳破坏。例如，含有表面初始裂纹缺陷深度为ai的构件，在静应力作用下，只有在应力水平达到临界应力?c时，才会失稳扩展，引起突然断裂；若静应力水平???c，裂纹不扩展，构件安全可靠。若构件承受的是同一应力水平?的应变应力，裂纹将缓慢扩展，当达到临界尺寸ac时，立即失稳扩展，突然断裂，如图1.1所示。

图1.1 裂纹失稳扩展

裂纹在交变应力作用下，由初始值ai扩展至临界值ac的过程，称为疲劳裂纹扩展的亚临界扩展。对于没有宏观裂纹的构件，在交变应力的长期作用下，也可能萌生裂纹，最后裂纹扩展至断裂。因此，疲劳破坏时的应力，远比静应力破坏时的应力低，而且疲劳破坏时一般都没有明显的塑性变形，对工程结构的危害性很大，甚至造成灾难性的事故。所以，长期以来在疲劳理论及应用方面进行了大量的研究工作，随着断裂力学的兴起，又为疲劳问题的研究开辟了新的方向。

1.1.2 疲劳破坏的发展过程

疲劳破坏受到很多因素影响，过程比较复杂，但按其发展过程，大致分为以下四个阶段。

（1）裂纹成核阶段 对于无裂纹的光滑试件，在交变应力作用下，虽然名义应力不超过材料的屈服极限，但由于材料组织性能不均匀，在试样表面局部区域仍能产生滑移，这是应为试样表面处于平面应力状态，容易产生塑性滑移，经多

1

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 次反复循环的滑移应变，产生金属的挤出和侵入的滑移带，如图1.2所示，从而形成微裂纹源（核）。

（2）微观裂纹扩展阶段 在试样表面一旦微观裂纹成核，微观裂纹就沿滑移方向扩展，这个方向是与主应力轴成45?的剪应力作用面。此阶段深入表面穿过几个晶粒，如图1.3所示，称为疲劳裂纹的第?阶段。

图1.2裂纹成核

（3）宏观裂纹扩展阶段 裂纹扩展第?阶段后期，逐渐改变方向，最后沿着与拉应力成垂直的方向扩展，如图1.3所示。一般认为，裂纹长度a在0.10mm

图1.3 宏观裂纹扩展

（4）断裂阶段 当宏观裂纹扩展至临界尺寸ac时，就产生失稳扩展而很快断裂。

以上所述四个阶段，是无初始裂纹的光滑试样的疲劳破坏发展过程。对于有初始裂纹的构件，主要是宏观裂纹扩展阶段，即第Ⅱ阶段，这是断裂力学目前研究疲劳问题的重点。

宏观裂纹最小尺寸的规定很不统一，从工程应用出发，一般规定0.1mm～0.2mm长的裂纹为宏观裂纹，也有规定长为0.2～0.5mm，深为0.15mm的表面裂纹为宏观裂纹。于是，以次为界限将疲劳寿命N划分为疲劳裂纹形成寿命，以应力循环数Ni表示，和疲劳裂纹扩展寿命，以应力循环Nf表示，N?Ni?Nf。

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