16MnR钢疲劳裂纹扩展速率及其断裂韧性的数值模拟

摘要

在研究疲劳裂纹扩展行为时，通常会考虑到不同应力比加载的影响。本文通过一种新的基于材料循环塑性特性、增量形式的多轴疲劳损伤准则，来研究不同应力比对疲劳裂纹启裂和扩展的影响。该模型通过有限元软件(ABAQUS)，运用循环塑性理论来分析裂纹区域的循环弹塑性应力应变场，进而利用该应力应变场计算疲劳损伤，最后通过疲劳裂纹启裂和扩展统一模型计算疲劳裂纹扩展速率。
　　 根据以上原理，本文对16MnR钢在循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为进行数值模拟。分别在常幅加载(同一应力比)和变幅加载(不同应力比)条件下，详细分析了不同应力比对裂纹启裂和扩展的影响，同时对缺口尺寸、裂纹闭合等影响因素进行分析。结果表明：应力比为负时会出现明显的裂纹闭合现象；应力比为正时，在循环载荷的卸载阶段，残余压应力和裂纹尖端后方材料点的塑性变形会导致裂纹闭合。应力比越小，裂纹闭合现象越明显。裂纹闭合会减小裂尖附近材料点的循环塑性，因此阻碍裂纹扩展。裂纹闭合区域的扩展方向是由中心向前后两个方向同时扩展。大应力比加载时，在疲劳裂纹扩展的初始阶段，平均应变会由大减小。同一试样的疲劳裂纹扩展过程中，在其他条件不变的情况下，如果应力比发生变化，裂纹扩展速率也会发生显著变化。
　　 疲劳断裂韧性作为材料的重要力学性能指标，在各种工程研究中有着广泛的应用。材料的疲劳断裂韧性和疲劳损伤在理论上存在着内在的联系。本文在疲劳裂纹启裂和扩展统一模型的基础上，计算出16MnR钢CT试样裂纹尖端附近区域的疲劳损伤，并且对照试验得到的疲劳断裂韧性，尝试在二者之间建立定量关系。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 本文的研究内容

第2章 疲劳启裂和裂纹扩展统一模型及裂纹扩展试验

2.1 前言

2.2 疲劳裂纹启裂和扩展统一模型

2.3 疲劳裂纹扩展试验

2.4 小结

第3章 应力比对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

3.1 前言

3.2 有限元建模

3.3 常幅加载工况

3.4 高低幅加载工况

3.5 小结

第4章 疲劳损伤与疲劳断裂韧性关系初探

4.1 引言

4.2 疲劳断裂韧性试验

4.3 疲劳损伤的分布与累积过程

4.4 疲劳损伤与疲劳断裂韧性的关系

第5章 结论

5.1 论文的主要结论

5.2 论文的创新成果

5.3 后续有待完成的工作

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文