圆柱体表面裂纹疲劳扩展的实验研究

摘要

随着现代工业生产的发展和高强度材料大型设备断裂事故的不断出现。使得断裂力学和疲劳理论得到了很好发展和广泛应用。本文将主要研究三维表面裂纹在不同循环载荷作用下的扩展行为以及各种参数的影响。 通过对45＃钢材料三维圆截面试样直前缘表面裂纹在循环拉伸载荷作用下裂纹扩展行为和断面形貌特征实验分析得出：对于垂直横截面的表面裂纹，单轴循环拉伸载荷作用下，裂纹扩展断面形貌特征与初始预制裂纹深度有着明显的关系。循环拉伸载荷作用下施加恒定的扭转载荷可以明显延缓表面裂纹的扩展速率，增加试样的疲劳寿命。并且这种裂纹扩展的“迟滞”作用随着拉伸载荷幅度的增加而减弱。 基于循环拉伸载荷作用下表面裂纹扩展实验研究基础上，使用有限单元法计算了三维表面裂纹在拉伸载荷作用下的应力强度因子。对于直前缘表面裂纹，在疲劳拉伸载荷作用下裂纹前缘最深点处的应力强度因子总是大于外表面的应力强度因子。当裂纹扩展到一定长度后，裂纹在外表面方向的扩展速度超过在深度方向的扩展速度，裂纹前缘曲线的曲率逐渐减小。当初始裂纹前缘为半圆曲线时，疲劳拉伸载荷作用下裂纹前缘曲线上最深点处的应力强度因子始终小于外表面的应力强度因子。随着三维表面裂纹的扩展，裂纹前缘曲线的曲率不断变化。实际的应力强度因子总是位于直裂纹前缘应力强度因子和半圆形裂纹前缘应力强度因子之间。裂纹前缘曲线曲率的变化对最深点B处的应力强度因影响较大，而对外表面A处的应力强度因子几乎没有什么影响。 循环扭转载荷作用下，表面疲劳裂纹的扩展路径与载荷大小无关。增加静态拉伸载荷时在一定程度上增加了表面裂纹扩展角，但是裂纹扩展路径仍保持直线。静态拉伸载荷加快了表面裂纹的扩展速度，并减少了试样的疲劳寿命。静态压缩载荷对裂纹扩展路径和疲劳寿命几乎没有什么影响。 在双轴循环载荷作用下，裂纹的扩展路径始终为一条曲线。拉伸应力和剪切应力的增加均会加速裂纹的扩展速率。但拉伸应力的变化对裂纹扩展和疲劳寿命的影响要大于剪切应力变化的影响。根据不同相位差对表面裂纹扩展影响的结果得到，φ=0情况下的裂纹扩展速率最大，疲劳寿命最短。随着相位差φ的增加，裂纹扩展角度逐渐增大，疲劳寿命逐渐变长。当φ=π时，裂纹扩展角度最大，试样的疲劳寿命最长。表面裂纹的扩展路径主要受控于循环载荷的振幅，而与循环载荷的平均应力值无关。而裂纹扩展率，疲劳寿命则主要受制于循环载荷的平均应力值。 对于表面倾斜裂纹，在循环拉伸载荷形式下，表面倾斜裂纹始终沿着非自相似路径进行扩展。恒定扭转载荷的施加不仅改变裂纹的扩展路径，而且加快裂纹的扩展速度。在循环扭转载荷形式下，表面倾斜裂纹的扩展表现为剪切模式。恒定拉伸载荷的加入降低裂纹的扩展角度，加快裂纹的扩展速度。双轴循环载荷作用下，裂纹的扩展路径主要与拉伸应力幅度和剪切应力幅度的比值以及相位差有关。在同一相位差的情况下，拉伸应力幅度和剪切应力幅度的比值决定了裂纹的扩展模式。非比例载荷作用下，φ=90°时寿命最短，φ=180°时寿命最长。 对于先预制裂纹后渗碳的材料表面裂纹，在单轴循环拉伸作用下裂纹仍沿着裂纹表面方向进行扩展。渗碳热处理有效地提高了材料表面强度，增加疲劳寿命。恒定扭转载荷的加入改变了裂纹的扩展路径，扩展角度的大小与扭转剪切载荷成正比，而受材料渗碳厚度的影响较小。此外扭转载荷还延迟表面裂纹的扩展，增加材料的疲劳寿命。渗碳层厚度对循环扭转载荷作用下裂纹扩展路径的影响很小。渗碳处理会有效阻碍裂纹的扩展，但是当渗碳厚度在一定范围内，由于增加疲劳强度对裂纹的阻碍作用小于由于表面脆性对裂纹扩展的加速作用，使得裂纹疲劳寿命反而降低。恒定拉伸载荷的加入加速表面裂纹的扩展，降低材料的疲劳寿命。在循环双轴载荷作用下，与未渗碳材料不同，裂纹的扩展路径始终为一条直线，裂纹以自相似方式进行扩展。渗碳厚度在一定程度上改变了裂纹扩展角度的大小，但是裂纹扩展仍以剪切模式为主。由于渗碳层加厚引起的表面脆性使得裂纹扩展的疲劳性能反而低于未渗碳之前的材料性能。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章循环拉伸载荷下疲劳裂纹扩展的实验研究

第三章循环拉伸载荷作用下的应力强度因子

第四章循环扭转力矩作用下表面裂纹的扩展

第五章多轴载荷作用下疲劳裂纹的扩展

第六章表面倾斜裂纹的疲劳扩展行为

第七章表面处理对裂纹扩展的影响

全文总结

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

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