疲劳裂纹扩展规律研究(8)

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 到两者相对误差较小，所以，用本测试系统进行疲劳试验是可靠的。

3.4.4 表面疲劳裂纹监测

（1）监测系统硬件配置 表面疲劳裂纹监测系统[28]主要用于对结构件表面疲劳裂纹进行监测，系统硬件包括直流恒流源、放大电路、A/D为采集板和BM -PC计算机系统。图3.13为表面疲劳裂纹监测系统工作原理图。

图3.13疲劳裂纹监测系统框图

（2）监测系统软件 表面疲劳裂纹监测系统软件全部由C语言编程。系统特点如下：

①通过人机对话方式对采样参数进行设定，操作简便；

②数据采集采用实时时钟中断方式进行，采集过程中可对采样数据进行实时处理、实时显示采样数据、波形和图形，不影响数据采集的连续性；

③采样监视阶段，可对采样数据的漂移做进一步的调零处理，使采样精度大大提高；

④实现了对采样时间的累加与再现，为疲劳寿命预测提供了依据；

⑤根据设定报警限实时报警，以测得的裂纹值作为初始裂纹，按照损伤容限设计理论实时预测疲劳裂纹剩余寿命；

⑥采用裂纹片测试裂纹，既可用于金属，亦可用于非金属。其输出只与裂纹长度有关，而与试件形状无关。因而可设计成各种外形以适应不同部位的测试要求。

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 第4章 影响疲劳裂纹扩展速率的因素

实验发现，除了?K是控制裂纹亚临界扩展的重要因素外，其他如平均应力、应力条件、加载频率、温度和环境等，对da/dN均有影响，下面分别介绍[1]。

4.1平均应力影响

不难证明，平均应力?m?(?max??min)/2与交变应力循环特征R??min/?max有如下关系

?m?1?R??1?R2 （4-1）

由式（4-1）可知，当应力幅度??一定时，也就是应力强度因子幅度?K一定，在0?R?1的范围内，?m随R增大而增大。因此平均应力?m对da/dN的影响可通过R体现。

图4.1是在不同循环特征R下用Paris公式（2-1）整理的da/dN??K曲线，反映了平均应力对da/dN有明显影响。在同一?K下，平均应力越高，da/dN越大。图4.2是将图4.1的五组数据按Forman公式（2-4），在

dadN[(1?R)KC??K]??K坐标系中整理成一条直线，说明Forman公式既反映了平均应力的影响，又反映了Kmax?KC时的特征，能更好地描述疲劳裂纹扩展规律。

图4.1 R对da/dN的影响 图4.2整理后的曲线

图4.3是在较底的?K范围内研究平均应力对da/dN影响的结果，图中曲线是在各恒定的da/dN下的?K?R关系曲线。这些曲线说明，裂纹扩展速率越低，平

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 均应力的影响越大。特别值得注意的是，R对?Kth的影响最为显著。实际上表2-2中的数据也说明了这种影响。由此可知，一个承受交变应力的构件，其疲劳裂纹是否发生亚临界扩展或扩展速率的高低，除了决定于施加的交变应力水平外，还决定于平均应力的大小。

图4.3 平均应力对da/dN的影响 图4.4过载峰形成塑性区

认识了平均应力能对材料疲劳裂纹扩速率产生如此明显的影响，人们就可利用这种影响改变实际构件的da/dN，提高实际构件的疲劳寿命。

一般情况下，构件表面残余拉应力会使交变应力中的平均应力水平提高，表面残余压应力会使交变应力中的平均应力水平下降。降低平均应力水平就降低了疲劳裂纹扩展速率。因此，在制造工艺或修理工艺上，常使构件表面层（约0.08~0.50mm）引入残余压应力。例如采用渗碳、渗氮、表面淬火、外表面滚压，内表面挤压以及喷丸强化等工艺。特别是喷丸强化工艺，能使构件表面产生足够高的残余压应力，提高构件的疲劳强度极限，提高?Kth值，降低da/dN值，是一种行之有效的方法，所以近年来在抽油杆中常采用。

4.2 超载的影响

实际构件常常不是始终只承受单一的恒幅交变载荷，有时会承受由各种幅度组成的载荷谱。在整个载荷谱中，高低幅度的载荷交替地并且是无序地出现。大量实验表明，过载峰对随后的低载恒幅下的裂纹扩展速率有明显的延缓作用。延缓作用仅限于一段循环周期，在此周期之后，da/dN又逐渐恢复正常。为了定量描述超载后裂纹的延缓效应，下面介绍两种理论分析模型。

（1）Wheeler模型 这种模型认为，过载峰?Kmax使裂纹尖端形成大塑性区R*，

ap为裂纹前方大塑性区与弹性区交界面的位置。如图4.4所示，图中a为裂纹长度，

这种大塑性区R*是随后在恒定?K作用下裂纹扩展的主要障碍，使裂纹扩展产生

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 延缓效应。如果在恒定?K下裂纹扩展速率为

da/dN?C(?K)n

则受大塑性区R*阻碍而延缓的裂纹扩展速率应为

dadNdadN延缓?CpidadN

n或

延缓?CpiC(?K) （4-2）

式中，Cpi为延缓参量，其值在0~1之间变化。设恒定?K引起的塑性区为Ry，则延缓参量Cpi可以通过Ry与(ap?a)的比值表示，即

mCpi?[Ry/(ap?a)]

式中m为实验确定的形状参数。于是，延缓裂纹扩展速率可写成

dadN延缓?C(Ry aP?a)(?K)mn （4-3）

形状参数m必须在一个试样上通过施加一个载荷谱的实验才能求出。 （2）Elber模型 这种模型认为，由于超载后裂纹的闭合效应，使得疲劳裂纹扩展速率da/dN下降。

所谓裂纹的闭合效应，就是超载造成了在裂纹尖端附近一个很大的塑性区，在塑性区内的材料被拉伸，产生残余拉应变。过载峰后，在随后的恒定?K作用下，逐渐卸载，这部分材料与周围的弹性材料相协调。弹性材料回复到原来状况，但塑性区的材料却不能，结果周围的弹性材料对于在裂纹尖端附近产生塑性变形的材料作用压应力。残余压应力使裂纹尖端闭合，这就是裂纹闭合效应。只有当外加拉应力克服了残余压应力，使得裂纹尖端再次张开时，随后的循环才能再引起裂纹扩展。这就是超载后裂纹扩展速率降低的原因。

Elber取疲劳裂纹尖端张开应力为?op，并引进有效应力幅度

??eff??max??op??max??op?max??min(?max??min)

对应的有效应力强度因子幅度

?Keff?U?K （4-4）

opmin式中 U?于是在超载下疲劳裂纹扩展速率为

dadN??maxma????x （4-5）

延缓?C(?Keff)n （4-6）

比较式（4-2）和式（4-6）得

Cpi(?K)?(?Keff)

nn又由式（4-4），得 Cpi?Un （4-7）

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哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 由式（4-4）、（4-5）知，超载越大，?Keff越低，因而da/dN越小。 式（4-3）、和（4-6）可用于预测有超载的应变应力情况下裂纹扩展寿命。

4.3加载频率影响

加载频率对da/dN的影响，试验研究方面的报导资料不多，这里仅举一例，看出一个总的影响倾向。

图4.5表示了频率对304型不锈钢在高温（538℃）下的da/dN??K关系的影响。其中（1）为试验结果，（2）为理想化的图。图中曲线变化表明了以下两点主要倾向。

图4.5 高温对da/dN??K影响

（1）在da/dN??K曲线下部范围，即较低?K范围，da/dN不受加载频率的影响。

（2）在da/dN??K曲线上部范围，即较高?K范围，da/dN随加载频率的变化而变化，加载频率减低，裂纹扩展速率增高。各频率下的da/dN??K直线斜率基本一致。

于是da/dN与频率f间的关系可写成

dadN?A(f)(?K)n （4-8）

式中n=3.06，A(f)为与频率f有关的函数，由图4.5中的数据求出，A(f)?f关系曲线如图4.6所示。

4.4温度影响

对于长期处于高温环境中工作的构件，必须研究弯度对疲劳裂纹扩展速率的影响。在一般情况下，疲劳裂纹扩展速率总是随着温度的升高而增高。例如图4.7所示的304不锈钢，若采用描述任一物理过程的速率与温度间的一般关系式，则

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