短裂纹扩展规律及分析方法整理ppt课件.ppt

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1、短裂纹扩展规律及分析方法研究学院：专业：学生：指导老师：Xcsddsfds大学内容：引言1.研究背景与现状2.短裂纹的定义短裂纹萌生机理短裂纹扩展规律1.扩展机理2.扩展寿命预测短裂纹行为研究方法1.威布尔分布函数（Weibullfunction）2.蒙特卡罗模拟(MonteCarlo)3.分形方法(fractal)4.BP神经网络(backpropagationartificialneural）研究背景与现状材料疲劳裂纹扩展研究现状Paris公式：许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常

2、重要的性能指标。工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。据统计，机械零件破坏的50%～90%为疲劳破坏，而材料约90%的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。研究背景与现状短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学(linearelasticfracturemechanicsLEFM)有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂

3、纹。疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹(microstructureshortcrack，MSC)行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹(physicalshortcrack，PSC)行为。主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大;而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽

4、时，该晶粒开裂而产生短裂纹。第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。短裂纹扩展规律关于疲劳短裂纹异常扩展的描述最早见于PearsonS的研究结果，短裂纹扩展行为的共同特点:短裂纹可以在比长裂纹低的

5、名义驱动力下扩展；在相同名义驱动力下，短裂纹的扩展速率会比长裂纹的相应速率高得多;进入长裂纹阶段前，短裂纹扩展速率并不稳定，有时会呈现先减速后加速的特征;粗晶材料具有较高短裂纹扩展速率，但ΔKth也较高，而细晶材料短裂纹扩展速率低，但ΔKth也较低;大的晶粒取向差有利于短裂纹的萌生，小的晶粒取向差有利于短裂纹的扩展。短裂纹扩展规律—扩展寿命预测短裂纹扩展的初始阶段材料细观组织对裂纹生长有阻碍作用。MillerKJ基于微观断裂力学并考虑微观组织的阻碍作用，提出MSC阶段短裂纹扩展特性关系式式中，da/dN为裂纹扩展速率，，Δγ为剪应变范围;A和α为材料常数;a为裂纹

6、长度;d1代表微观结构障碍尺度(微观组织第一门槛值)。短裂纹扩展规律—寿命预测HobsonPD和BrownMW等将上式与PSC阶段短裂纹扩展门槛值相结合，应用弹塑性条件下主导裂纹扩展规律，建立裂纹从MSC阶段进入PSC阶段乃至长裂纹的扩展速率方程式中，B和β为材料常数，aPSC为PSC阶段裂纹长度或长裂纹长度，C为PSC阶段或长裂纹裂纹扩展速率门槛值(与微观组织第二门槛值相关)。短裂纹扩展规律—寿命预测从能量的角度出发，当量应变能范围ΔW和循环J积分范围ΔJ与裂纹扩展速率da/dN均存在一定的关系，而且不受时间、结构形状和尺寸的影响，也与加载应变范围无关，因此可以

7、根据实验数据很好地拟合da/dN—ΔW或者da/dN—ΔJ曲线。用损伤因子演化速率(dD/dN)来预测发动机材料的寿命，也同样是以实验为基础的方法，通过对其他影响因素的方程修正，可以对发动机低周热疲劳的寿命进行预测.短裂纹行为模拟由于短裂纹的行为受多种因素(如晶粒大小、分布取向、载荷及环境)影响，具有随机性，因此目前短裂纹的模拟方法都是基于概率统计方法发展起来的。下面简要介绍常用的模拟方法：威布尔分布函数（Weibullfunction）、蒙特卡罗模拟(MonteCarlo)、分形方法(fractal)、BP神经网络(backpropagationartifici

8、alneu