2024-T4铝合金疲劳裂纹扩展行为的试验研究及数值模拟

摘要

2024-T4铝合金具有很高的强度与质量密度比,因而被广泛用于现代工业-尤其是航空航天工业中。这些铝合金结构件大多都工作在复杂的多轴循环载荷下,在一定的循环加载之后容易引起结构件的疲劳裂纹扩展,进而导致灾难性的破坏。因此,研究厚度、应力比等因素对2024-T4铝合金的疲劳裂纹扩展的影响,有助于为所有材料建立一个统一的预测模型,为更深入的研究提供基础。
　　 本文采用实验分析结合有限元模拟的方法,对2024-T4铝合金疲劳裂纹扩展行为进行了系统的研究。使用了两种厚度分别为3.8mm和12.5mm的紧凑拉伸试样,在4种不同的应力比:0.05,0.1,0.5和0.75下进行了不同加载幅下的Ⅰ型加载疲劳裂纹扩展试验。试验过程中使用放大倍率为40倍的显微镜直接观测并记录裂纹的扩展情况。使用标准形式的Paris公式来描述稳定的裂纹扩展阶段,并得到了不同应力比时的Paris公式材料常数。当应力比R为0.1,0.5,0.75时,厚度为12.5mm的试样的疲劳扩展速率明显大于厚度为3.8mm试样的疲劳裂纹扩展速率,而当R为0.05时,厚度的变化对疲劳裂纹扩展速率的影响明显小于其他应力比时的影响。而当厚度一定时,应力比与疲劳裂纹扩展速率成正比关系。使用Schijve模型和Kujawski模型对不同应力比试样的疲劳裂纹扩展速率进行合并处理,并比较两种模型对于2024-T4铝合金的适用性。
　　 采用椭圆和抛物线方程拟合裂纹前缘形貌,并使用通用有限元软件模拟了不同厚度试样贯通型直线裂纹前缘和实际曲线裂纹前缘处应力强度因子和循环J积分的分布。通过研究厚度与应力比对裂纹前缘应力强度因子以及循环J积分的影响,对疲劳裂纹前缘形貌进行了系统的分析,从有限元分析的角度解释了不同厚度试样裂纹前缘“隧道效应”的形成。相比应力强度因子,归一化循环J积分能很好的描述应力比对裂纹扩展的影响,更适合作为描述疲劳裂纹扩展的驱动因子。