疲劳裂纹扩展速率的实验数据处理

1第八章疲劳裂纹扩展8.1疲劳裂纹扩展速率8.2疲劳裂纹扩展寿命预测8.3影响疲劳裂纹扩展的若干因素8.4疲劳裂纹扩展速率试验返回主目录2前节回顾:Theplotoflogda/dNversuslogDKisasigmoidal(S形)curve.Thiscurvemaybedividedintothreeregions.Atlowstressintensities,crackingbehaviorisassociatedwiththresholdeffects.Inthemid-region,thecurveisessentiallylinear.Finally,athighDKvalues,crackgrowthratesareextremelyhighandlittlefatiguelifeisinvolved.lgda/dN12310-5-610-9lg(K)D~cK=(1-R)DK=(1-R)KmaxthDK3MostofthecurrentapplicationofLEFMconceptstodescribecrackgrowthbehaviorareassociatedwithregion2.Inthisregionthelogda/dNversuslogDKcurveisapproximatelylinearandliesroughlybetween10-7and10-4mm/cycle.Manycurvefitstothisregionhavebeensuggested.TheParisequation,whichwasproposedintheearly1960’s,isthemostwidelyaccepted.大多数用线弹性断裂力学描述裂纹扩展的应用是与区域2相关的。在这一区域，logda/dN-logDK曲线近似线性且在10-7-10-4mm/c间。已有许多拟合曲线提出，60年代初的Paris公式是应用最广的。48.3影响疲劳裂纹扩展的若干因素DK是控制da/dN的最主要因素。平均应力、加载频率、环境等的影响较次要，但有时也不可忽略。同一材料,由不同形状、尺寸的试件所得到的da/dN-DK曲线相同。da/dN-DK曲线可以描述疲劳裂纹扩展性能。DKMpa.m1/24102040lgda/dN(m/c)-9-8-7-6碳钢R=0.05DKMpa.m1/251.平均应力或应力比的影响注意到a=(1-R)max/2，m=(1+R)max/2；有：故a给定时，R，m。讨论应力比的影响，就是讨论平均应力的影响。amRR)1()1(-+=R0、R0影响趋势不同。thKR=0.80-1lgda/dNDlg(K)D实验结果6thKR=0.80-1lgda/dNDlg(K)DR＞0的情况R0时，min0。a给定，R，min，max。三个速率区域内，da/dN均增大。da/dN-DK曲线整体向左移动。Forman公式：KKRKCdNdaCmD--D=)1()(DK=(1-R)KmaxKmaxKc，分母0，da/dN。DKDKth，da/dN0。若考虑DKth的影响，有：dadNCKKRKKmthmc=---[()()]()DDD17thKR=0.80-1lgda/dNDlg(K)D低速率区，R，DKth。R＜0的情况：负应力存在，对da/dN三区域的影响不同。情况比R0时复杂得多。0.2.4.6.81.087654321低碳钢低合金钢不锈钢A517-F9301A508CA533B不同钢材的R-DKth关系RDKthMpa.m1/2有经验关系为：DKth=DK0th(1-R)DKoth是R=0时的基本门槛应力强度因子幅度。参数、由实验确定。图中钢材的下限为：DKth=7.03(1-0.85R)8Forman’sequationisoftenusedtopredictstressratioeffects.AsRincreases,thecrackgrowthrateincreases.Thisisconsistentwithtestobservations.Forman’sequationisvalidonlywhenR0.Generally,itisbelievedthatwhenR0,nosignificantchangeingrowthrateoccurscomparedwiththeR=0.Againthisismaterialdependent,assomeresearchershaveobtaineddataforcertainmaterialswhichshowhighergrowthratesforR0loading.Forman公式常用于预测应力比的影响。R增大，裂纹扩展速率增大，与试验观察是一致的。Forman公式只在R0时正确。一般认为与R=0相比，R0对da/dN没有显著影响。这仍与材料有关，对有些材料，也有研究者在R0时得到较高da/dN。9但是，在高温或腐蚀环境下，频率及波形对da/dN的影响显著增大，是不容忽视的。2.加载频率的影响30Cr2WmoV钢(30万千瓦汽轮机高压转子钢)频率影响实验。低速区：加载频率对da/dN基本无影响。中速率区：f，da/dN。有：da/dN=C(f)(DK)m=(A-Blgf)(DK)mlg(da/dN)0.7111049801000030CrWMoVlg(K)2Df(次/分)在室温、无腐蚀环境中，f=0.1100Hz时,对da/dN的影响可不考虑。循环波形影响是更次要的。10腐蚀介质作用下，裂纹可在低于K1C时发生扩展。试件加载到K1，置于腐蚀介质中。记录裂纹开始扩展的时间tf。腐蚀疲劳是介质引起的腐蚀破坏过程和应力引起的疲劳破坏过程的共同作用。这二者的共同作用，比任何一种单独作用更有害。1）应力腐蚀开裂(Stresscorrosioncracking)3.腐蚀环境对da/dN的影响K1K1scc，tf，(约1000小时)。K1scc是应力腐蚀开裂门槛值。K1K1scc不发生应力腐蚀开裂。K1K1cK1scc0tf11(da/dN)CF与DK的关系如图，可分为三类：2）腐蚀疲劳裂纹扩展速率(da/dt)CF(1-R)KcthCFDda/dNKKAA类；(DK)thCFDKth腐蚀使(da/dN)CF普遍加快，如铝合金在淡水中。B1sccDda/dN(1-R)KK(1-R)KcB类：KmaxK1scc，主要是疲劳过程；KmaxK1scc,腐蚀使da/dN)CF。马氏体镍在干氢中.1sccDda/dN(1-R)KKC(1-R)KcC类：AB混合型如高强钢在盐水中。加载频率越低，腐蚀过程越充分，(da/dN)CF越快。12Thefatiguecrackgrowthratecanbegreatlyinfluencedbyenvironmentaleffects.Theseeffectsareextremelycomplicatedduotothelargenumberofmechanical,metallurgical,andchemicalvariablesandtheinteractionbetweenthem.环境效应对疲劳裂纹扩展速率的影响很大。由于有大量的机械、冶金和化学因素及其相互作用，环境效应极其复杂。Theenvironmentaleffectonfatiguecrackgrowthrateisstronglydependentonthematerial-environmentcombination.Severaladditionalfactorsthatinfluencetheenvironmentaleffectarefrequencyofloading,temperature,waveformofloading,andstressratio.环境对疲劳裂纹扩展速率的影响强烈地依赖于材料与环境的组合。影响环境效应的一些附加因素是加载频率、温度、加载波形和应力比。13Ingeneral,atlowfrequencies,crackgrowthrateincreaseasmoretimeisallowedforenvironmentalattackduringthefatigueprocess.一般地说，低频率时裂纹扩展速率增大，因为在疲劳过程中环境效应有更充分的时间作用。Reducedfatiguelifeisusuallyobservedwithincreasingtemperature.Inaddition,environmentaleffectsareusuallygreateratelevatedtemperature,whichisduoinparttooxideaction.温度增加，通常使疲劳寿命降低。同时，高温下环境的影响更大，这有一部分是氧化作用所致。Noeffectofwaveformonfatiguecrackgrowthrateisusuallyobservedinair.Butincorrosionenvironment,higherda/dNgenerallyoccurifincreasingtensileportionoftheloadingcycleoccursmoreslowly.在空气中，一般观察不到波形对疲劳裂纹扩展速率的影响。但在腐蚀环境中，若载荷循环的拉伸部分作用慢，da/dN一般较高。148.4疲劳裂纹扩展速率试验目的：测定材料的da/dN-DK曲线一、试验原理：Paris公式：da/dN=C(DK)m实验a=a0R=0D记录ai、Ni(DK)i=f(D,ai,)(da/dN)i=(ai+1-ai)/(Ni+1-Ni)ai=(ai+1+ai)/2lg(da/dN)=lgC+mlg(DK)最小二乘法C,m?a(mm)a0ND=const.R=0DaiDNilgda/dNlg(DK)15二、试样L=4WWaDP三点弯曲2孔f0.25WDPDPaW1.25W1.2W0.55W紧凑拉伸中心裂纹DWBD2a建议厚度：W/20W/4BWa1a2a3a4a5疲劳裂纹前缘太厚：疲劳裂纹前缘舌型大，表面读取的尺寸与内部相差大。若用B=W/2，常需作尺寸修正。16三、试验方法DPDPaW1.2W紧凑拉伸试样hnDai1.预制裂纹要求:(CT试样为例)切口尺寸：an0.2W(保证LEFM的K解可用)疲劳预裂：Daimax{0.1B,h}(避开切口对裂尖的影响)预裂载荷:R与试验相同；Kmax不大于开始试验时的K值。(保证裂纹足够尖锐，但所需时间长)若用较大的Kmax预裂，应按规定逐级降载。172.K增加试验法da/dN-DK曲线一般分为三个区域。不同的区域，试验方法不同。K增加试验法用于中高速率区。名义K梯度C：dadKKC1=K随裂纹扩展的变化率若应力比R不变有：dadKK1dadKK1maxmax=dadKK1minmin=dad(DK)K1=D在恒幅载荷试验中，DP=const.,故有：d(DK)0,C0,是K不断增加的试验方法。183.K减小试验法K减小试验法用于低速率区。lgda/dN12310-5-610-9lg(K)D~？名义K梯度C：dadKKC1=0K增大试验法0aDKorDPDPDKR不变时有：dad(DK)K1=DC将上式从a0到a积分，得到：DK=DKe0C(a-a0)标准建议C-0.08mm-1。由此可计算不同a时的DK、DP。19小结1）若a＞＞rp,则线弹性断裂力学可用。应力强度因子为：K=f(a)；中心裂纹：f(a)=1.0；边裂纹：f=1.12。2）疲劳裂纹扩展速率的主要控制参量是DK，下限有DKth,上限有(1-R)Kc。DK=Kmax-Kmin=f(a)DR0,min0=KmaxR＜0,min＜0裂纹不扩展条件DK=f(a0)D＜D