工业结构钢疲劳极限的断裂力学研究

摘要

目前,工程中大量的破坏事故都是由疲劳引起的,金属材料的疲劳极限作为评价材料性能的一个重要指标,也是设计校核构件疲劳强度的重要依据。而确定材料疲劳极限的传统方法都有其不足之处,如何快速、准确地确定材料的疲劳极限始终是个难题。基于此,本文从裂纹扩展的角度出发,将传统的所谓含裂纹材料与光滑材料的疲劳问题统一起来考虑,对各种应力比下光滑材料的疲劳极限进行定量评价预测,该课题的理论研究将为材料疲劳极限研究范畴开辟另一条途径。本文首先分析了材料的疲劳极限与裂纹扩展之间的关系,结合裂纹扩展抵抗阻力曲线法,给出了进行疲劳极限评价预测的理论依据。同时,还给出了疲劳极限的断裂力学定义。
　　在相应试验的基础上,首先利用裂纹扩展抵抗阻力曲线法对试验材料的疲劳极限进行评价预测,预测值与试验值吻合良好,表明了这种方法的有效性。为了满足工程实际的需要,本文提出一种预测材料疲劳极限的简便方法。该方法仅需获得一个材料参数(如材料硬度)便可预测材料的疲劳极限。由于有效应力强度因子范围门槛值ΔKeffth∞是一个与裂纹长度及应力比无关的材料常数,只需将裂纹张开应力强度因子门槛值Kopth表示为裂纹长度的函数,作出材料的疲劳断裂曲线,就可以预测任意应力比下光滑试样的疲劳极限。利用这种方法作出的预测值与试验结果比较一致,且使用起来更加简单。利用材料在各种应力比下的疲劳极限预测值,本文作出了新的疲劳极限线图。该疲劳极限线图可以预测应力比r<-1情况下材料的疲劳极限,对传统理论具有参考和补充作用。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 疲劳裂纹扩展的国内外研究现状

1.2.1 疲劳大裂纹扩展的研究现状

1.2.2 疲劳小裂纹扩展的研究现状

1.3 材料的疲劳破坏形式

1.4 影响材料疲劳强度的因素

1.4.1 构件尺寸的影响

1.4.2 应力集中的影响

1.4.3 表面加工状况的影响

1.4.4 腐蚀的影响

1.4.5 温度的影响

1.5 确定材料疲劳极限的方法及其存在的问题

1.6 本文研究的主要内容及方法

1.7 本文的主要结构

2 裂纹扩展对材料疲劳极限的影响分析

2.1 疲劳小裂纹

2.1.1 疲劳小裂纹的概念

2.1.2 疲劳小裂纹的扩展特性

2.2 光滑试样疲劳极限下的小裂纹

2.3 不扩展裂纹与试样疲劳极限的关系

2.3.1 不扩展裂纹与光滑试样疲劳极限的关系

2.3.2 不扩展裂纹与缺口试样疲劳极限的关系

2.4 本章小结

3 疲劳极限预测的理论分析

3.1 疲劳裂纹的扩展阶段

3.1.1 第Ⅰ阶段裂纹扩展

3.1.2 第Ⅱ阶段裂纹扩展

3.2 裂纹的闭合效应

3.3 裂纹扩展抵抗阻力曲线法

3.4 光滑材料疲劳极限的预测依据

3.5 本章小结

4 试验研究

4.1 疲劳试验

4.1.1 试验材料

4.1.2 试验试样

4.1.3 试验方法

4.1.4 试验过程

4.1.5 试验结果

4.1.6 试样断口形貌

4.2 裂纹的观察及测定

4.3 硬度试验

4.4 讨论

4.5 本章小结

5 疲劳极限的评价预测

5.1 基于试验参数的预测对比

5.1.1 最大不扩展裂纹长度与负荷应力的关系

5.1.2 裂纹扩展抵抗阻力曲线法预测

5.2 基于简便预测的参数确定及预测对比

5.2.1 基本参数的确定

5.2.2 简便方法预测

5.3 疲劳极限线图

5.3.1 传统疲劳极限线图

5.3.2 基于试验参数预测值作出的疲劳极限线图

5.3.3 基于简便方法预测值作出的疲劳极限线图

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果