焊接結(jié)構(gòu)本征疲勞裂紋擴展速率研究

采用先進的焊接工藝制造大型金屬整體結(jié)構(gòu)是近年來大型飛機結(jié)構(gòu)減重設(shè)計和節(jié)約成本的重要途徑。損傷容限設(shè)計理念是保證結(jié)構(gòu)安全性的重要途徑，裂紋擴展分析又是損傷容限評定的內(nèi)容之一。焊接結(jié)構(gòu)的裂紋擴展分析的困難在于殘余應(yīng)力和微觀組織改變對焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展速率的影響是耦合在一起的，殘余應(yīng)力分布受幾何構(gòu)型影響，使得傳統(tǒng)的用實驗室標(biāo)準(zhǔn)試件測量的裂紋擴展速率來分析焊接結(jié)構(gòu)件的裂紋擴展壽命的思路面臨挑戰(zhàn)。 針對上述問題，本項目提出了焊接本征裂紋擴展速率的概念。在符合工程實踐假定的條件下，（1）分離殘余應(yīng)力和微觀組織對裂紋擴展的影響，建立焊接結(jié)構(gòu)本征裂紋擴展速率提取方法；（2）準(zhǔn)確評估焊接件的殘余應(yīng)力分布并分析其對裂尖場參量的影響；（3）研究微觀結(jié)構(gòu)對裂紋擴展行為及裂紋尖端場參量的影響。 在研究過程中，重點對分離殘余應(yīng)力和微觀組織對裂紋擴展影響、評價焊接整體結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分布描述方法等方面取得突破：（1）提出了一種數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)輔助下的逐步切割、多步反推的焊接件殘余應(yīng)力測量方法；（2）在殘余應(yīng)力得以準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)上，提出了以試驗手段提取焊接件本征裂紋擴展速率的方法——恒有效應(yīng)力強度因子變程和有效應(yīng)力比方法，采用該方法對攪拌摩擦焊接件焊縫及附近不同區(qū)域的本征疲勞裂紋擴展速率進行了研究；（3）研究了該系列鋁合金晶粒分布對疲勞裂紋擴展速率的影響，進而分析焊接微觀結(jié)構(gòu)改變對裂紋擴展速率的影響規(guī)律。隨著近年來對新型金屬整體結(jié)構(gòu)研究關(guān)注點的變化，本項目對焊接微觀結(jié)構(gòu)改變對裂紋擴展影響的研究部分，增加了材料組織對裂紋擴展行為和裂尖場變化的影響的研究，調(diào)整了部分原申請書研究內(nèi)容。 本項目的研究成果將為焊接結(jié)構(gòu)的損傷容限分析提供技術(shù)支撐，從而為先進連接技術(shù)在大型飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定分析評定基礎(chǔ)。

先進焊接工藝在飛機中的應(yīng)用是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和低成本的重要途徑之一，這對焊接結(jié)構(gòu)完整性評價提出了更高的要求，給損傷容限設(shè)計評定提出了新挑戰(zhàn)。由于焊接殘余應(yīng)力（RS）和微觀結(jié)構(gòu)改變對裂紋擴展的影響相耦合，RS與結(jié)構(gòu)構(gòu)型和尺寸相關(guān)，現(xiàn)有利用母材裂紋擴展速率疊加RS影響的評定方法在精度和適用性上都受到限制。本研究創(chuàng)造性地提出了本征裂紋擴展速率（Intrinsic crack growth rate，ICGR）的概念，分離RS與微觀結(jié)構(gòu)改變對裂紋擴展的影響，提取出僅反映微觀結(jié)構(gòu)改變的本征參量，建立基于ICGR的焊接結(jié)構(gòu)裂紋擴展分析方法；在此基礎(chǔ)上，研究RS分布與結(jié)構(gòu)構(gòu)型及尺寸的關(guān)系，給出焊接整體結(jié)構(gòu)的裂紋擴展評定方法。與現(xiàn)有方法相比，由于ICGR考慮了微觀結(jié)構(gòu)改變的影響，將顯著提高預(yù)測精度；ICGR與結(jié)構(gòu)構(gòu)型和尺寸無關(guān)，將顯著提高方法的適用性。本研究成果將為焊接在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定分析評定技術(shù)基礎(chǔ)。

疲勞裂紋擴展速率1區(qū)

是低速率區(qū)。該區(qū)域內(nèi)，隨著應(yīng)力強度因子幅度

若

當(dāng)

研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實際工程應(yīng)用上都是有意義的。十分明顯，一般的機械零件和工程構(gòu)件是不會以來作為設(shè)計指標(biāo)的。因為數(shù)值很低，如以來作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這無疑是要求工作應(yīng)力很低或者容許的裂紋尺寸很小。疲勞門檻值除了因應(yīng)力比R的增加而減小外，還和組織有關(guān)。

疲勞裂紋擴展速率2區(qū)

是中速率裂紋擴展區(qū)。此時，裂紋擴展速率一般在

疲勞裂紋擴展速率3區(qū)

為高速率區(qū)，在這一區(qū)域內(nèi)，da/dN大，裂紋擴展快，壽命短。其對裂紋擴展壽命的貢獻，通常可以不考慮。此區(qū)域的上限為

S-N曲線以R=-1（對稱循環(huán)）時的曲線作為基本曲線。

疲勞裂紋擴展速率da/dN，是在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環(huán)周次N的變化率，反映裂紋擴展的快慢。

疲勞載荷：在工程上引起的疲勞破壞的應(yīng)力或應(yīng)變有時呈周期性變化，有時是隨機的。

疲勞裂紋：某些材料在連續(xù)交變應(yīng)力作用下，會在其表面逐漸生成裂紋，并隨著作用時間而逐漸向縱深發(fā)展。使裂紋打一展，試件的力學(xué)性能下降，最終導(dǎo)致完全斷裂。應(yīng)該指出，有些材料耐初始裂紋生長的性能很好，但一旦生成卻發(fā)展很快。而另一些材料就正好相反。