基于无位错区的疲劳裂纹扩展和疲劳门槛值的研究

摘要

在工程安全设计上，疲劳裂纹扩展速率和门槛值具有重要意义。目前，已经建立了很多疲劳裂纹扩展的机制来解释裂纹扩展，这些模型的主要缺点是没有考虑材料的屈服应力，也没有考虑材料的循环塑性变形行为。本论文把断裂物理和断裂力学联系起来，考虑材料的循环变形行为的作用，研究了在微观机制上预测疲劳裂纹扩展速率和疲劳门槛值的的物理模型，并验证了模型的合理性。主要工作如下：
　　(1).研究了疲劳裂纹扩展的微观物理机制模型。本文把断裂物理和断裂力学联系起来，考虑材料的循环变形行为的作用，认为裂纹尖端材料的逐渐劣化是循环塑性变形的结果，采用具有明确物理意义的内聚区的J积分来表征裂纹尖端的疲劳损伤量。循环载荷使得裂纹尖端的塑性区循环硬化/软化，这使无位错区的应力和裂纹尖端区域的J积分的值升高，从而有可能导致开裂。因为循环变形行为可能达到一个饱和状态，在给定的载荷下，疲劳裂纹扩展的临界条件可以建立，因此可以计算疲劳裂纹扩展的速率和门槛值。
　　(2).研究了等幅应力和过载作用下，疲劳裂纹的扩展速率与影响因素。本文研究了预测疲劳裂纹的扩展速率的无位错区模型，利用Fortran95语言编程实现了模型，模拟了等幅应力和拉伸过载应力下的7075-T6和2024-T3两种铝合金材料的疲劳裂纹的扩展的c N?曲线。并把无位错区模型模拟结果与这些著名的模型FASTRAN、AFGROW和试验结果进行了比较，无位错模拟的结果与试验结果拟合较好，拟合结果说明了无位错区模型的合理性。在此基础上，研究了应力比、过载率等因素对疲劳裂纹扩展的影响，结果发现，应力比、过载率对疲劳裂纹扩展影响很大，应力比大疲劳裂纹扩展加快，过载率越大，疲劳裂纹扩展的迟滞作用越大。
　　(3).研究了疲劳裂纹扩展的门槛值与影响因素。本文研究了预测疲劳门槛值的无位错区模型，利用Fortran95语言编程实现了模型，模拟了7075-T6和2024-T3两种铝合金材料的门槛值。并把无位错区模型预测的结果与试验结果进行比较，比较结果说明，无位错区可以预测疲劳门槛值。在此基础上，研究了裂纹的长度、应力比、硬化量、硬化速率等因素对疲劳门槛值的影响。研究发现，裂纹的长度对疲劳门槛值的影响不大，硬化速率对门槛值没有影响，应力比、硬化量等对疲劳槛值的影响很大，应力比越大，门槛值越小，硬化量越大，门槛值越小。

目录

基于无位错区的疲劳裂纹扩展和疲劳门槛值的研究

FATIGUE CRACK GROWTH AND FATIGUE THRESHOLD BASED ON THE DISLOCATION-FREE ZONE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 疲劳研究与模型综述

1.2.1 应力寿命法

1.2.2 应变寿命法

1.2.3 断裂力学法

1.2.4 位错法

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本文的结构

第2章 疲劳裂纹扩展微观机制模型

2.1 引言

2.2 无位错区模型

2.3 表征疲劳循环的损伤量

2.4 本章小结

第3章 疲劳裂纹扩展速率的研究

3.1 引言

3.2 等幅应力加载下，疲劳裂纹扩展速率计算

3.2.1 计算模型

3.2.2 程序的实现

3.2.3 计算实例

3.2.4 影响因素

3.3 过载应力加载下，疲劳裂纹扩展速率计算

3.3.1 程序的实现

3.3.2 计算实例

3.3.3 影响因素

3.4 本章小结

第4章 疲劳裂纹扩展的门槛值模型

4.1 引言

4.2 预测门槛值模型

4.3 本章小结

第5章 疲劳裂纹扩展门槛值的研究

5.1 引言

5.2 计算门槛值的程序实现

5.2.1 计算模型

5.2.2 程序的实现

5.3 计算实例

5.4 影响因素

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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致 谢