裂紋尖端塑性區(qū)對(duì)金屬材料疲勞行為的影響

本項(xiàng)研究利用Eshelby等效夾雜理論，將裂尖塑性區(qū)等效為有相變應(yīng)變的均勻夾雜，這樣裂紋與塑性區(qū)之間相互作用可用Hutchinson的裂紋與相變應(yīng)變相互作用解獲得。由此獲得I、II型裂紋塑性校正的應(yīng)力強(qiáng)度因子(The Plasticity-Corrected Stress Intensity Factor, PC-SIF)解析表達(dá)式。以PC-SIF 作為疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)參量,成功地描述了不同載荷比、過(guò)載延遲效應(yīng)、雙軸疲勞中側(cè)向應(yīng)力的影響,以及壓—壓疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。這些都是疲勞領(lǐng)域長(zhǎng)期研究但未能解決的關(guān)鍵問(wèn)題, 在本項(xiàng)目的研究中均已取得重要進(jìn)展, 相關(guān)研究成果在Acta Materialia、 Int J Fatigue等國(guó)際學(xué)術(shù)刊物發(fā)表7篇SCI論文。

裂紋尖端塑性區(qū)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展特性有重大的影響。在以往的研究中,人們?cè)噲D將塑性區(qū)作為力學(xué)參量引入疲勞裂紋擴(kuò)展判據(jù)，但由于未能解決如何計(jì)算裂尖塑性區(qū)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響問(wèn)題,疲勞裂紋擴(kuò)展中許多基本特征至今尚未得到合理闡述。本項(xiàng)研究旨在解決這些長(zhǎng)期關(guān)注的基礎(chǔ)問(wèn)題：用我們已建立的考慮裂紋尖端塑性區(qū)影響的應(yīng)力強(qiáng)度因子公式，計(jì)算交變載荷作用時(shí)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值,代替Paris公式中按完全線彈性計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值,使應(yīng)力幅、平均應(yīng)力、加載順序、過(guò)卸載方式、循環(huán)比、閉合效應(yīng)、T應(yīng)力等對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展特性有重要影響的參數(shù)，能用單一參量予以表征,從而為不同載荷條件下的疲勞裂紋速率計(jì)算提供統(tǒng)一的方法。本項(xiàng)目是在完全自主創(chuàng)新的學(xué)術(shù)思想指導(dǎo)下進(jìn)行,符合疲勞裂紋尖端不可避免地存在塑性變形區(qū)的客觀情況，能處理現(xiàn)有理論無(wú)法解決的問(wèn)題，因而能從物理本質(zhì)上更深入廣泛地揭示疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

裂紋擴(kuò)展時(shí)其尖端張開(kāi)的位移，記為δ。δ的臨界值δc也是表征材料斷裂韌性的一個(gè)判據(jù)。

相應(yīng)于裂紋尖端位于焊接接頭焊縫金屬中的COD值用符號(hào)δW表示；相應(yīng)于裂紋尖端位于熔合區(qū)的COD值用符號(hào)δF表示；相應(yīng)于裂紋尖端位于熱影響區(qū)的COD值用符號(hào)δH表示；相應(yīng)于裂紋尖端位于不受焊接熱循環(huán)作用的基材中的COD 值用符號(hào)δB表示。2100433B

裂紋尖端張開(kāi)位移, 其英文名稱C rack T ipO pen ing D isplacem en t的首字母縮寫為CTOD,是指裂紋體受張開(kāi)型載荷后原始裂紋尖端處所張開(kāi)的兩表面的相對(duì)距離。盡管這一

定義并不十分嚴(yán)格, 但因其可以直接觀察測(cè)量,工程中較為實(shí)用, 國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大都采用這一定義。

CTOD 值反映了裂紋尖端的材料抵抗開(kāi)裂的能力。帶有預(yù)制裂紋的試樣在加載時(shí), 裂紋尖端處有一個(gè)張開(kāi)位移C TO D值。CTOD 值越大, 表示裂紋尖端處材料的抗開(kāi)裂性能越好, 即韌性越好; 反之, CTOD 值越小, 抗開(kāi)裂性能越差, 即韌性越差。CTOD 能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料韌性。

焊接接頭是非均質(zhì)體, 其中存在由于焊接熱過(guò)程、化學(xué)冶金過(guò)程、熔池凝固和相變過(guò)程等所造成的顯微組織、物理化學(xué)性能及力學(xué)性能的不連續(xù)性和不均勻性。而CTOD 能夠直接反映裂紋尖端所在處材料組織的韌性, 因此, 如欲評(píng)價(jià)焊接接頭某個(gè)區(qū)域乃至某點(diǎn)的韌性, 只需設(shè)法讓裂紋尖端落在試樣上的目標(biāo)區(qū)就可以了。更具體說(shuō), 欲評(píng)價(jià)焊縫中心材料的韌性, 就把裂紋尖端開(kāi)在焊縫中心; 要評(píng)價(jià)熱影響區(qū)中某種組織特征區(qū)(如熔合區(qū)即粗晶區(qū))材料的韌性, 就將裂紋尖端開(kāi)在該區(qū)域即可。應(yīng)用現(xiàn)代試驗(yàn)機(jī)(如M T S 和Inst ron)中柔度法監(jiān)測(cè)裂紋長(zhǎng)度的技術(shù), 可以將裂紋尖端位置離目標(biāo)區(qū)的距離誤差控制在0. 1mm 以內(nèi)。應(yīng)當(dāng)指出, 過(guò)去研究焊接熱影響區(qū), 往往偏重于焊接接頭常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn)。由于熱影響區(qū)的部位比較狹窄, 而且在熱影響區(qū)中又可區(qū)分為組織特征極不相同的許多更小的區(qū)域, 因此, 準(zhǔn)確地測(cè)出每個(gè)小區(qū)域的性能幾乎是不可能的, 只能是焊接熱影響區(qū)整體性能的反映[6 ]。而用CTOD 試驗(yàn)可以獲得熱影響區(qū)中各個(gè)小區(qū)的斷裂韌性, 因而更具優(yōu)越性。

另外, CTOD 可以解釋斷裂的開(kāi)裂及止裂機(jī)制, 它能夠反映殘余應(yīng)力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對(duì)韌性的影響等等, 并且還能應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)理論進(jìn)行更深入的研究。

對(duì)于恒定載荷，

對(duì)于Griffith裂紋：