疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式及推導(dǎo)

設(shè)

則

Y——幾何因子或形狀因子；△k——應(yīng)力強(qiáng)度因子變程。

Pairs建議：

有

得

S-N曲線以R=-1（對(duì)稱循環(huán)）時(shí)的曲線作為基本曲線。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率1區(qū)

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

若

當(dāng)

研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實(shí)際工程應(yīng)用上都是有意義的。十分明顯，一般的機(jī)械零件和工程構(gòu)件是不會(huì)以來(lái)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的。因?yàn)閿?shù)值很低，如以來(lái)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這無(wú)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(kuò)展速率2區(qū)

是中速率裂紋擴(kuò)展區(qū)。此時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率一般在

疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展快，壽命短。其對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命的貢獻(xiàn)，通?？梢圆豢紤]。此區(qū)域的上限為

曲線測(cè)定方法利用帶有預(yù)制疲勞裂紋的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在給定載荷條件下進(jìn)行恒幅疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，記錄裂紋擴(kuò)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(zhǎng)度隨載荷循環(huán)次數(shù)的變化。

圖1中示出了應(yīng)力比R=0時(shí)，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(kuò)展速率da/dN。注意到裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子

則由圖1中a~N曲線可知，對(duì)于給定的a，循環(huán)應(yīng)力幅

故裂紋擴(kuò)展速率da/dN的控制參量是應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度

由a~N曲線中任一裂紋尺寸

疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN，是在疲勞載荷作用下，裂紋長(zhǎng)度a隨循環(huán)周次N的變化率，反映裂紋擴(kuò)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(shí)呈周期性變化，有時(shí)是隨機(jī)的。

疲勞裂紋：某些材料在連續(xù)交變應(yīng)力作用下，會(huì)在其表面逐漸生成裂紋，并隨著作用時(shí)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(zhǎng)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。

對(duì)于恒定載荷，

對(duì)于Griffith裂紋：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷（過大的截面變化、過小的圓角半徑等）、表面加工質(zhì)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(wǎng)狀組織等）都加速疲勞磨損，導(dǎo)致疲勞失效。因此改善零件結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)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(yīng)力降下來(lái)，可有效的防止應(yīng)力集中，提高其疲勞強(qiáng)度，軸類零件的表面或表層受力集中，是最容易產(chǎn)生裂紋的部位，所以采取表面強(qiáng)化的方法，如提高零件的表面質(zhì)量，對(duì)零件進(jìn)行噴丸處理、表面淬火等可提高零件的表層力學(xué)性能，提高疲勞強(qiáng)度。

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

（3）對(duì)在腐蝕性環(huán)境工作的機(jī)械零件進(jìn)行處理，避免產(chǎn)生腐蝕疲勞。如加入合金元素，防止產(chǎn)生晶間腐蝕。

（4）對(duì)零件、構(gòu)件進(jìn)行定期檢測(cè)（用超聲波和X光檢測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋），防范于未然。

（5）材料表層內(nèi)部組織缺陷、表層材料的內(nèi)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(dǎo)致疲勞失效，所以應(yīng)提高金屬材料質(zhì)量。 2100433B

采用先進(jìn)的焊接工藝制造大型金屬整體結(jié)構(gòu)是近年來(lái)大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)和節(jié)約成本的重要途徑。損傷容限設(shè)計(jì)理念是保證結(jié)構(gòu)安全性的重要途徑，裂紋擴(kuò)展分析又是損傷容限評(píng)定的內(nèi)容之一。焊接結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展分析的困難在于殘余應(yīng)力和微觀組織改變對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)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(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)量的裂紋擴(kuò)展速率來(lái)分析焊接結(jié)構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展壽命的思路面臨挑戰(zhàn)。 針對(duì)上述問題，本項(xiàng)目提出了焊接本征裂紋擴(kuò)展速率的概念。在符合工程實(shí)踐假定的條件下，（1）分離殘余應(yīng)力和微觀組織對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，建立焊接結(jié)構(gòu)本征裂紋擴(kuò)展速率提取方法；（2）準(zhǔn)確評(píng)估焊接件的殘余應(yīng)力分布并分析其對(duì)裂尖場(chǎng)參量的影響；（3）研究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展行為及裂紋尖端場(chǎng)參量的影響。 在研究過程中，重點(diǎn)對(duì)分離殘余應(yīng)力和微觀組織對(duì)裂紋擴(kuò)展影響、評(píng)價(jià)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(cè)量方法；（2）在殘余應(yīng)力得以準(zhǔn)確評(píng)估的基礎(chǔ)上，提出了以試驗(yàn)手段提取焊接件本征裂紋擴(kuò)展速率的方法——恒有效應(yīng)力強(qiáng)度因子變程和有效應(yīng)力比方法，采用該方法對(duì)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(kuò)展速率進(jìn)行了研究；（3）研究了該系列鋁合金晶粒分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，進(jìn)而分析焊接微觀結(jié)構(gòu)改變對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律。隨著近年來(lái)對(duì)新型金屬整體結(jié)構(gòu)研究關(guān)注點(diǎn)的變化，本項(xiàng)目對(duì)焊接微觀結(jié)構(gòu)改變對(duì)裂紋擴(kuò)展影響的研究部分，增加了材料組織對(duì)裂紋擴(kuò)展行為和裂尖場(chǎng)變化的影響的研究，調(diào)整了部分原申請(qǐng)書研究?jī)?nèi)容。 本項(xiàng)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(jìn)連接技術(shù)在大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定分析評(píng)定基礎(chǔ)。

先進(jìn)焊接工藝在飛機(jī)中的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和低成本的重要途徑之一，這對(duì)焊接結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)提出了更高的要求，給損傷容限設(shè)計(jì)評(píng)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(duì)裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率疊加RS影響的評(píng)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(kuò)展速率（Intrinsic crack growth rate，ICGR）的概念，分離RS與微觀結(jié)構(gòu)改變對(duì)裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展評(píng)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(cè)精度；ICGR與結(jié)構(gòu)構(gòu)型和尺寸無(wú)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(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定分析評(píng)定技術(shù)基礎(chǔ)。

基本信息

標(biāo)準(zhǔn)號(hào) StandardNo： GB/T 6398-2000

中文標(biāo)準(zhǔn)名稱StandardTitle in Chinese：金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法

英文標(biāo)準(zhǔn)名稱：Standard test method for fatigue crack growth rates of metallic materials

發(fā)布日期IssuanceDate ：2000-11-17

實(shí)施日期ExecuteDate：2001-06-01

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

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)StandardState ：現(xiàn)行

復(fù)審確認(rèn)日期ReviewAffirmance Date :2010-07-28

計(jì)劃編號(hào)Plan No：

代替國(guó)標(biāo)號(hào)ReplacedStandard ：GB/T 6398-1986

被代替國(guó)標(biāo)號(hào)ReplacedStandard:

廢止時(shí)間RevocatoryDate :

采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)號(hào)AdoptedInternational Standard No：ASTM E647:1995

采標(biāo)名稱AdoptedInternational Standard Name：

采用程度ApplicationDegree ： NEQ

采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)AdoptedInternational Standard ： 其他

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類號(hào)(ICS) ：77.040.10

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)分類號(hào)(CCS) ：H22

標(biāo)準(zhǔn)類別StandardSort：方法

標(biāo)準(zhǔn)頁(yè)碼Number ofPages:

標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格(元)Price(￥) :

主管部門Governor ：中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)

歸口單位TechnicalCommittees ：全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)

起草單位DraftingCommittee：北京航空材料研究院