疲劳与断裂力学 第8章 疲劳裂纹扩展课件.ppt

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1、第八章疲劳裂纹扩展第一节疲劳裂纹的萌生与扩展机制一、萌生机制Cottrell-Hull疲劳裂纹萌生机制二、疲劳断口形貌分析三个典型区域：疲劳源区疲劳扩展区瞬时断裂区疲劳海滩标记：宏观、肉眼可见疲劳条纹：微观、显微放大以后可见实际材料的疲劳条纹：铝合金断面上的疲劳条纹×12000倍厚度：10-4mm这种疲劳条纹的形成可以用裂尖钝化模型来解释：1、在受拉过程中裂尖塑性变形发生钝化，增加了新表面；2、在受压过程中新表面合拢形成新裂纹，再经历第二次循环。第二节疲劳裂纹扩展分析研究问题：含裂纹体的疲劳裂纹扩展规律，疲

2、劳裂纹扩展寿命预测方法。研究方法裂纹尖端的应力应变场LEFM：KEPFM：d断裂力学法初始条件：初始裂纹尺寸a0？破坏条件：临界裂纹尺寸ac构件的疲劳寿命由起始和扩展二部分组成。从起始到扩展转变时的裂纹尺寸通常未知且往往取决于分析的着眼点和被分析构件的尺寸。例如，对于有显微设备的研究者，上述尺寸可能是晶粒缺陷、位错或0.1mm的量级，而对于现场检验者，则是无损检测设备可检出最小的裂纹。理论基础：线弹性断裂力学(1957)计算手段：计算机迅速发展；实验手段：高倍电镜、电液伺服疲劳机，电火花切割机等研究可能疲

3、劳裂纹扩展研究需求给定a，,da/dN；给定,a,da/dN。讨论张开型(I型)裂纹。a＞＞rp，LEFM力学可用。一、aN曲线二、疲劳裂纹扩展控制参量aN曲线的斜率，就是裂纹扩展速率da/dN。a(mm)a0NCCTCT>1Ds2Ds3Ds>R=0K,a故K,da/dN标准试样预制疲劳裂纹恒幅疲劳实验记录a,N裂纹只有在张开的情况下才能扩展，故控制参量K定义为：K=Kmax-KminR＞0K=KmaxR＜0疲劳裂纹扩展速率da/dN的控制参量是应力强度因子幅度K=

4、f(,a)，即：da/dN=(K,R,…)应力比R=Kmin/Kmax=min/max=Pmin/Pmax；与K相比，R的影响是第二位的。三、疲劳裂纹扩展速率FCGR(FatigueCrackGrowthRate)R=0时的da/dN-K曲线，是基本曲线。实验a=a0R=0=consta(mm)a0NDsR=0iadadNaN曲线ai,(da/dN)i,ai,Kida/dN-K曲线lgda/dN10-5-610-9lg(K)D~lgda/dN12310-5-610-9lg(K)

5、D~1、da/dN-K曲线低、中、高速率三个区域：cK=(1-R)K=(1-R)KmaxthDK低速率区：有下限或门槛值KthK＜Kth,裂纹不扩展。高速率区:有上限Kmax=Kc，扩展快，寿命可不计。中速率区:有对数线性关系。可表达为：da/dN=C(K)mC、m和Kth，是描述疲劳裂纹扩展性能的基本参数。微解理为主微孔聚合为主条纹为主lgda/dN12310-5-610-9lg(K)D~thDK微解理为主微孔聚合为主条纹为主三种破坏形式:微解理型低速率条纹型稳定扩展微孔聚合型高速率Pari

6、s公式：da/dN=C(K)m2、裂纹扩展速率公式K是疲劳裂纹扩展的主要控制参量；疲劳裂纹扩展性能参数C、m由实验确定。3、扩展速率参数C,m的确定实验a=a0R=0记录ai、Ni(K)i=f(,ai)(da/dN)i=(ai+1-ai)/(Ni+1-Ni)ai=(ai+1-ai)/2lg(da/dN)=lgC+mlg(K)最小二乘法C,m?一、基本公式应力强度因子：中心裂纹宽板f=1；单边裂纹宽板f=1.12临界裂纹尺寸aC：有线弹性断裂判据：疲劳裂纹扩展公式：得到裂纹扩展方程：(f

7、,D,R,a0,ac)=Ncf一般是裂纹尺寸的函数，通常需要数值积分。第三节疲劳裂纹扩展寿命预测或得到:ïïîïïíìD--D=--)ln()(1]11[)15.0()(1015.015.00aafCaamfCNCmmCmmCpspsm=2m2da/dN用Paris公式表达时的裂纹扩展方程对于无限大板，f=const.，在=const.作用下，由Paris公式da/dN=C(K)m积分有：已知a0,ac,给定寿命Nc,估算在使用工况(R)下所允许使用的最大应力Smax。二、Paris公式的应用抗疲

8、劳断裂设计计算：已知载荷条件S，R，初始裂纹尺寸a0,估算临界裂纹尺寸ac,剩余寿命Nc.已知载荷条件S，R,给定寿命Nc,确定ac及可允许的初始裂纹尺寸a0。断裂判据：CCKafK£=psmaxmax裂纹扩展方程：Nc=(f,D,R,a0,ac)基本方程解：1.边裂纹宽板K的表达式：K=1.12s(pa)1/2例1：边裂纹板a0=0.5mm,载荷为smax=200Mpa。R=0,材料参数sys=630M