裂紋尖端塑性區(qū)對金屬材料疲勞行為的影響項目摘要

裂紋尖端塑性區(qū)對疲勞裂紋擴展特性有重大的影響。在以往的研究中,人們試圖將塑性區(qū)作為力學參量引入疲勞裂紋擴展判據(jù)，但由于未能解決如何計算裂尖塑性區(qū)對應力強度因子的影響問題,疲勞裂紋擴展中許多基本特征至今尚未得到合理闡述。本項研究旨在解決這些長期關注的基礎問題：用我們已建立的考慮裂紋尖端塑性區(qū)影響的應力強度因子公式，計算交變載荷作用時的有效應力強度因子幅值,代替Paris公式中按完全線彈性計算的應力強度因子幅值,使應力幅、平均應力、加載順序、過卸載方式、循環(huán)比、閉合效應、T應力等對疲勞裂紋擴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算提供統(tǒng)一的方法。本項目是在完全自主創(chuàng)新的學術思想指導下進行,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)有理論無法解決的問題，因而能從物理本質(zhì)上更深入廣泛地揭示疲勞裂紋擴展規(guī)律。

本項研究利用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的裂紋與相變應變相互作用解獲得。由此獲得I、II型裂紋塑性校正的應力強度因子(The Plasticity-Corrected Stress Intensity Factor, PC-SIF)解析表達式。以PC-SIF 作為疲勞裂紋擴展的力學參量,成功地描述了不同載荷比、過載延遲效應、雙軸疲勞中側(cè)向應力的影響,以及壓—壓疲勞裂紋的擴展規(guī)律。這些都是疲勞領域長期研究但未能解決的關鍵問題, 在本項目的研究中均已取得重要進展, 相關研究成果在Acta Materialia、 Int J Fatigue等國際學術刊物發(fā)表7篇SCI論文。

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

相應于裂紋尖端位于焊接接頭焊縫金屬中的COD值用符號δW表示；相應于裂紋尖端位于熔合區(qū)的COD值用符號δF表示；相應于裂紋尖端位于熱影響區(qū)的COD值用符號δH表示；相應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δB表示。2100433B

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

定義并不十分嚴格, 但因其可以直接觀察測量,工程中較為實用, 國內(nèi)外有關標準大都采用這一定義。

CTOD 值反映了裂紋尖端的材料抵抗開裂的能力。帶有預制裂紋的試樣在加載時, 裂紋尖端處有一個張開位移C TO D值。CTOD 值越大, 表示裂紋尖端處材料的抗開裂性能越好, 即韌性越好; 反之, CTOD 值越小, 抗開裂性能越差, 即韌性越差。CTOD 能較準確地評價材料韌性。

焊接接頭是非均質(zhì)體, 其中存在由于焊接熱過程、化學冶金過程、熔池凝固和相變過程等所造成的顯微組織、物理化學性能及力學性能的不連續(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, 如欲評價焊接接頭某個區(qū)域乃至某點的韌性, 只需設法讓裂紋尖端落在試樣上的目標區(qū)就可以了。更具體說, 欲評價焊縫中心材料的韌性, 就把裂紋尖端開在焊縫中心; 要評價熱影響區(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, 就將裂紋尖端開在該區(qū)域即可。應用現(xiàn)代試驗機(如M T S 和Inst ron)中柔度法監(jiān)測裂紋長度的技術, 可以將裂紋尖端位置離目標區(qū)的距離誤差控制在0. 1mm 以內(nèi)。應當指出, 過去研究焊接熱影響區(qū), 往往偏重于焊接接頭常規(guī)的力學性能試驗。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, 準確地測出每個小區(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 試驗可以獲得熱影響區(qū)中各個小區(qū)的斷裂韌性, 因而更具優(yōu)越性。

另外, CTOD 可以解釋斷裂的開裂及止裂機制, 它能夠反映殘余應力、焊接接頭幾何尺寸約束等因素對韌性的影響等等, 并且還能應用彈塑性斷裂力學理論進行更深入的研究。

對于恒定載荷，

對于Griffith裂紋：