基于材料微结构的高周疲劳性能定量表征及关键技术问题

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1、学术论文基于材料微结构的高周疲劳性能定量表征及关键技术问题王海东，谭晓明，王德(海军航空工程学院青岛校区，青岛266041)[摘要】长寿命、高可靠性已成为飞机结构设计的主要目标之一，疲劳失效对材料结构的完整性构成严重威胁。介绍了航空铝合金微结构对高周疲劳失效机制的作用及定量表征的研究现状，重点对材料微结构对多裂纹萌生的作用机制与定量表征、小裂纹转变为长裂纹的临界尺寸的数学描述和高周疲劳裂纹多尺度扩展行为定量表征等方面的研究状况进行了分析，指出了制约微结构对高周疲劳作用的定量表征的关键技术问题。关键词：高周疲劳；微结构；疲劳裂纹萌生机理；多尺度；裂

2、纹扩展驱动力QuantitativeCharacterizationtoHigh-CycleFatiguePerformanceBasedonMaterialMicrostructureandItsKeyTechnologyWANGHaidong，TANXiaoming，WANGDe(QingBranch，NavalAeronauticalEngineeringUniversity，Qingdao266041，China)【ABSTRACTlLongoperationallifeandhi【ghreliabilityhasbeenthemaino

3、bjectofaircraftstructuredesign，fatiguefrac—tureisaseriousthreattoaircraftstructuralintegrity．Theexistingstatusisdiscussed，asintheresearchfieldoftheeffectofmaterialmicrostructureonhigh-cyclefatiguefracturemechanismandquantitativecharacterization．Severalkeytechnicalproblemsarer

4、eviewed，suchastheeffectofmaterialmicrostructuretomultifatiguecrackinitiationmechanismandquanti—tativecharacterization．theconfidenceintervalanddistributionruleofcriticalsizefromsmalltolongcrackbehavior,multi—scalefatiguecrackgrowthbehavior．Thekeytechnicalprobleminthisresearchf

5、ieldisobtained．Keywords：Highcyclefatigue；Microstructure；Fatiguecrackinitiationmechanism；Multiscale；Fatiguecrackgrowthdriv—ingforceDoI：10．16080巧．issnl671．833x．2016．1／2．106为确保飞机在使用寿命期内的安全，长寿命、高可靠性已成为飞机结构设计的主要目标，同时，现役飞机结构的延寿措施与材料的失效机制密切相关，特别是材料结构的疲劳断裂是飞机结构的主要失效形式之一，因此，疲劳失效对材料结构的

6、完整性构成严重威胁。在循环载荷作用下材料疲劳裂纹一般在非均质处萌生，主要包括第二相、晶粒、夹杂、微孑L和晶界等，材料微结构直接影响着裂纹萌生机制。不同材料裂纹萌生机理不同”。】，高强度铝合金受细观尺度微结构的影响，具有多裂纹萌生的特征【4】，由非均质微结构引起的多处局部塑性应变与多裂纹萌生行为直接相关。同一材料的疲劳载荷水平不同，裂纹的扩展行为不同[5-71，对于高周疲劳具有多尺度扩展行为特征，疲劳寿命主要消耗在小裂纹扩展阶段。在材料微结构的作用下细观尺度小裂纹扩展可能呈现分叉、转折和加速／减106航空制造技术·2016年第1／2期速等行为特征，

7、当应力强度因子幅值△K相同时，短裂纹的扩展速率高于长裂纹，所以用传统的基于长裂纹扩展速率模型评估结构寿命必将导致危险的结果，必须基于微结构对小裂纹扩展的作用机制，选取合适的裂纹扩展驱动力作为关键参数描述扩展行为，这对疲劳寿命预测及延寿措施确定都非常重要。裂纹长度扩展到一定程度时，逐步摆脱微结构的影响，对于宏观尺度长裂纹主要受裂纹尖端小范围屈服的影响，扩展行为趋于稳定。可见，不同尺度的裂纹，扩展机理和行为不同，裂纹扩展驱动力参数就应该根据不同尺度裂纹扩展机理进行确定。1国内外研究现状材料微结构对疲劳裂纹萌生和小裂纹扩展的影响都非常关键，揭示微结构对

8、疲劳失效的作用机制及量化RESEARCH学术论文表征，对准确预测材料疲劳寿命具有非常重要的意义，将为飞机结构设计和定／延寿奠定理论基础，