残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

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1、第11卷第4期湖北工学院学报1996年12月Vol.11No.4JournalofHubeiPolytechnicUniversityDec.1996残余应力对疲劳裂纹扩展的影响熊健民毛为民余天庆;机械工程系G摘要分析了残余应力的产生及其对裂纹疲劳扩展的影响1残余压应力的存在提高了疲劳寿命K残余拉应力则起相反的作用1文中对残余应力孔的疲劳特性作了具体的研究和分析1关键词残余应力M疲劳裂纹扩展M残余应力孔中图法分类号O346123常幅载荷作用下K影响裂纹扩展的主要因素有P施加载荷的应力比、应力强度因子幅值、加[1、2]载频率、温度、残余应力等等1变

2、幅载荷作用时超载的影响也很显著1在工程实践中K常常要遇到对超龄的大型结构;如铁路钢桥G进行修复和延长寿命的问题K而这些结构又不便于卸下到工厂去进行处理K只能在现场进行维修1这些大型构件经过长期的负载工作K往往已出现宏观裂纹1在进行彻底更换之前K必须采取一定的止裂措施K使其裂纹在这段时间内的扩展被抑止K以保证必要的安全1采取的止裂手段K较简单易行的是提高试件表面的残余压应力K即进行各种旨在增加残余压应力的处理1因此K具体研究残余应力对疲劳裂纹扩展的影响K有一定的实际意义11残余应力的产生钢材产生残余应力的原因很多K诸如金相组织的不均匀K各部的组织及

3、成分不同K晶粒的向位不同K各部的弹性模量E有差异K受载时各部材料屈服时间前后不同等等1111受载情形材料受载后K局部的应力达到屈服极限K于是出现局部塑性区域K塑性区的应力不再继续增大K而应力尚低于屈服极限的区域仍具弹性1卸载后塑性区的材料不再恢复K仅弹性区的材料恢复1若是试样原来受的是拉伸载荷K则弹性区的材料于恢复时要收缩K但受到不能再恢复的塑性区材料的制约K不得自由收缩K因而弹性区的材料产生残余拉应力K与此对应K塑性区的材料产生残余压应力1若试件原来受压缩载荷K则结果相反1112冷作强化处理试件表层材料经喷丸或滚压等冷作强化处理K由于弹丸的冲击

4、或滚子的滚辗K使表层材料出现局部屈服1弹坑周围或被滚辗的表面产生塑性变形K但芯部材料仍具弹性K对表层材料的收稿日期1996-02-06熊健民男1957年生副教授武汉湖北工学院院长办公室4300688湖北工学院学报1996年第4期变形形成制约1于是K在冷作强化的表层材料内产生了残余压应力K芯部则产生残余拉应力1113淬火处理试件在整体淬火过程中K一方面由于材料热胀冷缩K内部产生热应力M另一方面K因组织有相变K要产生组织应力1热应力与组织应力都是残余应力1被热处理的试件K在冷却后期K当芯部材料冷却收缩时K受到已冷却的表层牵制K最终是在表层材料产生残余

5、压应力K芯部产生残余拉应力1试件在经过表层淬火处理后K最终表层材料受残余压应力K芯部呈残余拉应力1114渗碳处理试件表层材料经渗碳处理后K表层材料渗碳层呈残余压应力K且比仅淬火的表层材料高1总括地说K在受载、各种表面强化处理过程中K以及机械加工时K若是使试件材料局部地达到屈服状态K则在受载、处理措施或机械加工之后K该局部材料就会呈现残余应力1若是局部塑性拉伸、感应淬火、渗碳、喷丸、滚压及镀锡;镉或铅G等低溶点金属时K零件表层材料产生残余压应力M若是局部塑性压缩、高速切削、冷拉、局部加热、表层脱碳、镀铬或镍等高溶点金属时K则试件表层材料呈残余拉应力

6、12残余应力下的疲劳行为[3～5]残余应力对试件的实有应力分布有很大影响1许多人在这方面都做过研究K其中达成共识的是P残余压应力使疲劳裂纹的萌生和扩展减缓K从而提高了试件的疲劳寿命1图1所示为没有残余应力的试件受弯矩M作用的情况1图中点划线为材料的疲劳极限Rrlim曲线Y细实线为由弯矩M所产生的弯曲应力分布曲线1当弯矩增大时Y是表层材料内的弯曲应力Rbp=Rbmax首先达到或超过疲劳极限值K因此表层没有残余压应力的试件是由表层材料最先出现疲劳损伤1图1无残余应力试件受弯矩作用示意图图2试件表面强化处理应力分布曲线若是表层经强化处理;如渗碳等GK则

7、如图2所示K在渗碳表层内产生了残余压应力1图中所示虚线为残余应力Rre的分布曲线1受弯矩M作用时Y试件内的实有应力R的分布应为残余应力Rre和工作弯曲应力Rb@图中细实线S之和Y其分布如图中粗实线所示Y此时实有应力不再是试件表层的为最大[另一方面Y由于试件表层经强化YRrlim亦相应增大Y此时即使弯矩增大Y也不再是表层的实有应力Ri首先达到或超过疲劳极限K并出现损伤1换言之K危险状态的应力不再位于试件表面K这无疑提高了试件的疲劳寿命1对于试件来说K表面层材料内所产生的残余压应力能推迟疲劳裂纹的孕育、起始开裂的时间K以及能使已有裂纹减缓扩展K因而提

8、高了试件的疲劳寿命1至于芯部也许会先出现损伤K第11卷第4期熊健民等残余应力对疲劳裂纹扩展的影响9但芯部的损伤不容易形成易扩展的宏观裂纹