疲勞裂紋擴展速率比較

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1區(qū)

是低速率區(qū)。該區(qū)域內，隨著應力強度因子幅度

若

當

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

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，da/dN大，裂紋擴展快，壽命短。其對裂紋擴展壽命的貢獻，通?？梢圆豢紤]。此區(qū)域的上限為

曲線測定方法利用帶有預制疲勞裂紋的標準試樣，在給定載荷條件下進行恒幅疲勞裂紋擴展實驗，記錄裂紋擴展過程中的尺寸a和循環(huán)次數(shù)N，即可得到如下圖1所示的a~N曲線。a~N 曲線給出了裂紋長度隨載荷循環(huán)次數(shù)的變化。

圖1中示出了應力比R=0時，三種不同恒幅載荷Ds作用下的a~N曲線。a~N曲線的斜率，就是裂紋擴展速率da/dN。注意到裂尖應力強度因子

則由圖1中a~N曲線可知，對于給定的a，循環(huán)應力幅

故裂紋擴展速率da/dN的控制參量是應力強度因子幅度

由a~N曲線中任一裂紋尺寸

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力或應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，試件的力學性能下降，最終導致完全斷裂。應該指出，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。

設

則

Y——幾何因子或形狀因子；△k——應力強度因子變程。

Pairs建議：

有

得

對于恒定載荷，

對于Griffith裂紋：

（1）結構設計缺陷（過大的截面變化、過小的圓角半徑等）、表面加工質量缺陷（如表面粗糙度過大、表面刀痕、磨削裂紋、劃傷；熱處理中缺陷如淬火裂紋、滲碳和氮化等表面出現(xiàn)網狀組織等）都加速疲勞磨損，導致疲勞失效。因此改善零件結構，避免應力集中。如采取圓角過渡；加大軸肩的圓角半徑均可將這些區(qū)域的峰值應力降下來，可有效的防止應力集中，提高其疲勞強度，軸類零件的表面或表層受力集中，是最容易產生裂紋的部位，所以采取表面強化的方法，如提高零件的表面質量，對零件進行噴丸處理、表面淬火等可提高零件的表層力學性能，提高疲勞強度。

（2）在金屬材料中加入合金元素，提高材料的疲勞強度，大大延長材料的使用壽命。

（3）對在腐蝕性環(huán)境工作的機械零件進行處理，避免產生腐蝕疲勞。如加入合金元素，防止產生晶間腐蝕。

（4）對零件、構件進行定期檢測（用超聲波和X光檢測能夠發(fā)現(xiàn)細小裂紋），防范于未然。

（5）材料表層內部組織缺陷、表層材料的內部缺陷，如夾雜、氣孔、鍛造夾層以及各種微裂紋，常由此作為裂紋源而導致疲勞失效，所以應提高金屬材料質量。 2100433B

采用先進的焊接工藝制造大型金屬整體結構是近年來大型飛機結構減重設計和節(jié)約成本的重要途徑。損傷容限設計理念是保證結構安全性的重要途徑，裂紋擴展分析又是損傷容限評定的內容之一。焊接結構的裂紋擴展分析的困難在于殘余應力和微觀組織改變對焊接結構疲勞裂紋擴展速率的影響是耦合在一起的，殘余應力分布受幾何構型影響，使得傳統(tǒng)的用實驗室標準試件測量的裂紋擴展速率來分析焊接結構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）分離殘余應力和微觀組織對裂紋擴展的影響，建立焊接結構本征裂紋擴展速率提取方法；（2）準確評估焊接件的殘余應力分布并分析其對裂尖場參量的影響；（3）研究微觀結構對裂紋擴展行為及裂紋尖端場參量的影響。 在研究過程中，重點對分離殘余應力和微觀組織對裂紋擴展影響、評價焊接整體結構殘余應力分布描述方法等方面取得突破：（1）提出了一種數(shù)字圖像相關技術輔助下的逐步切割、多步反推的焊接件殘余應力測量方法；（2）在殘余應力得以準確評估的基礎上，提出了以試驗手段提取焊接件本征裂紋擴展速率的方法——恒有效應力強度因子變程和有效應力比方法，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構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構研究關注點的變化，本項目對焊接微觀結構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，調整了部分原申請書研究內容。 本項目的研究成果將為焊接結構的損傷容限分析提供技術支撐，從而為先進連接技術在大型飛機結構中的應用奠定分析評定基礎。

先進焊接工藝在飛機中的應用是實現(xiàn)結構減重和低成本的重要途徑之一，這對焊接結構完整性評價提出了更高的要求，給損傷容限設計評定提出了新挑戰(zhàn)。由于焊接殘余應力（RS）和微觀結構改變對裂紋擴展的影響相耦合，RS與結構構型和尺寸相關，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與微觀結構改變對裂紋擴展的影響，提取出僅反映微觀結構改變的本征參量，建立基于ICGR的焊接結構裂紋擴展分析方法；在此基礎上，研究RS分布與結構構型及尺寸的關系，給出焊接整體結構的裂紋擴展評定方法。與現(xiàn)有方法相比，由于ICGR考慮了微觀結構改變的影響，將顯著提高預測精度；ICGR與結構構型和尺寸無關，將顯著提高方法的適用性。本研究成果將為焊接在飛機結構中的應用奠定分析評定技術基礎。

基本信息

標準號 StandardNo： GB/T 6398-2000

中文標準名稱StandardTitle in Chinese：金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法

英文標準名稱：Standard test method for fatigue crack growth rates of metallic materials

發(fā)布日期IssuanceDate ：2000-11-17

實施日期ExecuteDate：2001-06-01

首次發(fā)布日期FirstIssuance Date ：1986-05-17

標準狀態(tài)StandardState ：現(xiàn)行

復審確認日期ReviewAffirmance Date :2010-07-28

計劃編號Plan No：

代替國標號ReplacedStandard ：GB/T 6398-1986

被代替國標號ReplacedStandard:

廢止時間RevocatoryDate :

采用國際標準號AdoptedInternational Standard No：ASTM E647:1995

采標名稱AdoptedInternational Standard Name：

采用程度ApplicationDegree ： NEQ

采用國際標準AdoptedInternational Standard ： 其他

國際標準分類號(ICS) ：77.040.10

中國標準分類號(CCS) ：H22

標準類別StandardSort：方法

標準頁碼Number ofPages:

標準價格(元)Price(￥) :

主管部門Governor ：中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會

歸口單位TechnicalCommittees ：全國鋼標準化技術委員會

起草單位DraftingCommittee：北京航空材料研究院