变幅载荷下疲劳裂纹扩展规律试验研究综述
第14卷第5期船舶力学Vol.14No.5 2010年5月Journal of Ship Mechanics May2010文章编号：1007-7294（2010）05-0556-10
变幅载荷下疲劳裂纹扩展规律试验研究综述
钱怡1,2，崔维成2
（1江南大学机械工程学院，江苏无锡，214122；2中国船舶科学研究中心，江苏无锡，214082）
摘要：文章对最近10年来有关变幅载荷下材料疲劳裂纹扩展和失效规律的实验研究方面的最新成果进行了归纳总结。综述内容包括：过载、低载在疲劳裂纹扩展中的作用；过载-低载组合作用时裂纹扩展的情况；基线载荷的影响；块载大小、长度对疲劳裂纹扩展的影响；试件影响；低于应力强度因子门槛值的小应力在变载疲劳裂纹扩展中的表现等六个方面。通过这一综述，进一步验证了部分结论的正确性，同时也发现了部分结论的不完善性。
文中也提出了变幅载荷下疲劳裂纹扩展模型的初步设想。
关键词：疲劳裂纹扩展；疲劳寿命；变幅载荷；载荷次序效应；疲劳实验
中图分类号：0346.2文献标识码：A
An overview on experimental investigation on variable
amplitude fatigue crack growth rule
QIAN Yi1,2,CUI Wei-cheng2
(1School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi214122,China
2China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)
Abstract：An overview of the present state of the art is carried out for the experimental study of the vari-able amplitude fatigue problem in the last10years.The summary is divided into six categories:overload(un-derload)effects on fatigue crack growth;the combination effects of overloads and underloads;the role of baseline load;the effects of magnitude and length of block loads;the influence pattern specimen and the be-havior of small stress,etc.Through this overview,some former conclusions were further confirmed while some previous conclusions about fatigue crack growth rule were found incomplete.The general idea for de-veloping a new model of fatigue crack growth is proposed.
K ey words:fatigue crack growth;fatigue life;variable amplitude loading;load interaction effects;
fatigue tests
1引言
绝大多数工程结构在变幅载荷作用下工作，尤其是船舶、海洋结构物以及飞机部件等，疲劳损伤是它们失效的主要原因。迄今为止，关于结构在变幅载荷下的疲劳寿命预测研究已有80多年的历史，取得了大量的研究成果，其中最早期，也是最著名的如P覽lmgren-Miner的线性累积损伤理论，它以形式简单，便于使用而备受工程领域的欢迎，但该模型的不足之处也显而易见，即载荷的次序效应被忽略。随后的研究发现，除了材料自身的特性外，疲劳裂纹的扩展规律取决于所作用的载荷的大小和方式，载荷
收稿日期：2010-01-22
作者简介：钱怡（1962-），女，江南大学机械工程学院副教授；
崔维成（1963-），男，博士，中国船舶科学研究中心研究员，博士生导师。
第5期钱怡等：变幅载荷下疲劳裂纹扩展 (557)
幅值、载荷比等都是影响裂纹扩展的主要因素。
依照通常的概念，载荷幅值愈大，裂纹扩展愈快，近期人们却发现，在变幅载荷序列作用下，过载常常会导致构件中裂纹扩展的迟滞或停止，低载可能导致裂纹扩展加速。事实上影响疲劳裂纹扩展的因素很多，在常规环境工况下，变幅载荷中基础载荷及过载的大小；过载作用的时间、方式；构件的形状、尺寸、裂纹的尺寸、位置、形状等，都将影响裂纹扩展。
Skorupa曾经在1998年发表的文章中[1]对变幅载荷下疲劳裂纹扩展受载荷作用方式影响等问题做了详细的分类综述。近年来在变幅载荷下的疲劳裂纹扩展研究又有了新的进展，本文将对二十一世纪以来在变幅载荷下疲劳裂纹扩展方面的试验成果进行分析，归纳总结出变幅载荷下影响结构疲劳裂纹扩展的主要因素，提出变幅载荷下疲劳裂纹的扩展模型的设想。
2过载、低载在疲劳裂纹扩展中的作用
大量实验研究显示，变幅载荷下，过载通常导致裂纹扩展延滞，而低载则导致裂纹扩展加速，过载比（低载比）对裂纹扩展的迟滞（加速）起一定作用。这一观点几乎已成为变幅载荷作用下裂纹扩展和寿命分析的公认规则，但近期一些试验结果显示，这些结论是在特定条件下成立的，条件改变，相反的结果也可能出现。
2.1过载后的疲劳裂纹扩展表现
Skorupa在1998年的文献综述[1]中曾提到，对于不锈钢和铝合金两种材料，当单个过载的过载率较高时，先出现裂纹扩展迟滞，接着加速。最近的研究结果表明，过载后裂纹扩展行为不完全一致。
（1）Rodopoulos[2]对钛合金和低碳钢的试验中，发现非常高的单个过载将导致瞬间加速部分的消失；随着过载量的增大，迟滞效应增大。Kalnaus和Vasudevan[3]对AL6XN不锈钢紧凑试件进行了疲劳裂纹扩展的实验研究，其结论是过载导致明显的裂纹扩展迟滞。Silva[4]对低碳钢、钛合金Ti6Al4V和铝合金Al7175三种材料进行了变幅载荷下的疲劳试验，当R=0时，钛、铝两合金表现出过载迟滞的现象，而低碳钢则对过载几乎无反映。Sander[5]对铝合金紧凑拉伸试件进行了过载和低载实验，给出了过载比R ol（K ol/K Bl,max）、裂纹扩展迟滞循环数N DI、基线水平载荷下的应力强度因子变化范围ΔK BI间的关系（图1）。指出迟滞数随过载比上升而增加，但有一定的限度。
图1过载率R ol、迟滞循环数N D与图2载荷方向角α与裂纹扩展的关系基线载荷ΔK BI的关系[5]Fig.2Influence of mixed mode overloads with R ol=2.5 Fig.1Delay cycles N DI depending of the baseline on the fatigue crack growth depending on the level loading and the overload ratio R ol[5]loading directionα[5]
Sander [5]和Lee [6]还研究了载荷作用方向对疲劳裂纹扩展的影响，Sander 发现，在试件承受不同方向的载荷时，以Ⅰ型方式加载（载荷方向与裂纹方向垂直），过载导致的裂纹扩展迟滞量最大；Ⅱ型加载（载荷方向与裂纹方向平行）过载几乎不产生过载迟滞现象，而Ⅰ+Ⅱ混合型加载（载荷方向介于Ⅰ型、Ⅱ型之间），裂纹扩展迟滞效应随加载角度而变，载荷倾角由Ⅰ型向Ⅱ型转变过程中，迟滞效应减弱（图2所示）。Lee 最近发表了针对热轧钢板进行混合过载试验的结果[6]，类似于Sander 的实验，Lee 采用同样的加载方式实现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ+Ⅱ混合型裂纹扩展。其结论是无论基线载荷和过载方式如何，裂纹扩展迟滞现象都可观察到，迟滞量与Sander 的结论极为相似。
以上这些研究结果，基本上可观测到过载导致的裂纹扩展迟滞现象，实际上它们存在共同特点，即基线载荷比R ≥0。另外，迟滞量随过载量增加时，存在极限值，超过极限值后，过载量增加迟滞量下降，甚至出现裂纹扩展加速。
（2）过载后裂纹扩展加速的情况
对于R ＜0的情况，Silva [4]和McEvily 、Makabe [7]均得出了相反的结果。Silva 在对低碳钢、钛合金Ti6Al4V 和铝合金Al7175三种材料进行变幅载荷疲劳试验时发现，对于基线载荷比小于零的情况，钛、铝两合金对过载反应不明显，低碳钢在过载时却出现裂纹扩展加速（图3）。McEvily 和Makabe 对低碳钢的过载试验同样观察到R <0时过载导致裂纹扩展加速的现象（图4），且随着过载的增加，加速量减小。
图3低碳钢过载时的裂纹扩展曲线[4]图4低碳钢过载时的裂纹扩展曲线[7]
Fig.3Fatigue crack growth data for Ck45under overload:Fig.4Variations of the crack propagation rate [7]
crack length-number of stress cycles [4]
Anindito Purnowidodo [8]近期通过圆轴形钢试件的疲
劳试验指出，过载既可能导致裂纹扩展迟滞，也可导致
加速，具体取决于裂纹前端的残余应力，如果是压缩残
余应力，则过载导致裂纹扩展迟滞；而拉伸残余应力出
现，则裂纹扩展加速。迟滞量和过载率相关，图5描述
了过载量和迟滞循环数间的关系。
综上所述，当基线载荷比R ≥0，且过载量不太大
时，过载将导致疲劳裂纹扩展迟滞；而基线载荷比R ＜0，
或过载量非常大时，将会出现过载后裂纹扩展加速。
2.2低载率的影响
低载导致裂纹扩展加速的概念已为大多数人认可，Skorupa 在1998年的概述里也曾做过类似的结论，他认为低载率愈大，裂纹扩展越快，负向平均应力越大，同样扩展越快。这在不锈钢和铝合金上均有表现，且图5过载大小与迟滞循环数的关系[8]
Fig.5The effect of overload magnitude to
number of delay cycles [8]
558船舶力学第14卷第5期
图6过载循环数大小与迟滞循环数的关系[11]Fig.6Number of delay cycles N D depending on
the number n ol of overloads and the overload
ratio R ol [11]铝合金的加速更迅速。近期的研究对该问题的分析更细化。
针对7010铝锌镁合金和8090铝锂合金两种材料，Zitounis [9]研究了小幅高R 伴有大幅低R 的拉伸低载时的裂纹扩展情况。发现低载时均有裂纹扩展加速情况，且随着低载率的增加，加速量减小。Schijve [10]对D16铝合金中心裂纹试件进行了多种载荷下的疲劳试验，同样发现了低载下明显的裂纹扩展加速现象。
Sliva [4]在R =0和R =-1的情况下，分析了Ti6A14V 钛合金、Al7175铝合金和Ck45低碳钢制成的有缺口的圆轴试件在单个低载作用下疲劳裂纹扩展的情况。结果显示，当R =0时，低载对Ck45低碳钢无明显影响，Ti6Al4V 钛合金、Al7175铝合金则裂纹扩展加速；当R =－1时，低载对Ti6Al4V 钛合金、Al7175铝合金的疲劳裂纹扩展均无明显影响，而Ck 45低碳钢则裂纹扩展加速。McEvilyh 和Makabe [7]在对中心裂纹低碳钢试件的低载试验中也观察到R <0时裂纹扩展加速现象。
Kalnaus [3]对AL6XN 不锈钢紧凑试件的疲劳试验和Zhao Tianwen [15]对7075-T651铝合金的疲劳实验均发现，低载导致短暂的裂纹扩展加速，但加速量并不大，认为可忽略单个低载对裂纹扩展的加速影响。
根据上述不同材料、不同试验的结果表明，无论基线载荷比R ≥0还是R ＜0，低载加速现象基本可见，但加速量与基线载荷比、材料相关；对过载反应不敏感的情况也相当普遍。
2.3过载数的影响
Sander [11]在对铝合金紧凑试件进行了不同过载比下的
连续过载实验后指出，裂纹扩展迟滞量随过载次数的增大
而增大，最终迟滞数将收敛至一个极限值。图6给出了过载
数n ol 、迟滞数N D 、过载比R ol 间的关系。但同时Sander 也指
出，在多次过载后，接着将是裂纹扩展的加速，所以在评估疲
劳寿命时，应兼顾这两方面的因素。
3过载—低载组合作用时裂纹扩展的情况
过载-低载组合的不同方式对总体裂纹扩展的影响研
究，也是近年来的一个热点。Skorupa 在1998年的文章中指出，当低载与过载组合时，过载对裂纹扩展的迟滞影响将随
着低载的大小、持续长短而减弱。通过对2024-T3铝合金和不锈钢的变幅载荷实验，观测到2024-T3铝合金，低载在过载后，对迟滞削弱大，相反，不锈钢则是低载出现在过载前，减弱影响更大，而低载出现在过载后，对迟滞的削弱影响小。并且低载持续时间越长，低载率越大，对迟滞的削弱作用也越显著。
McEvily 和Makabe [7]对低碳钢中心裂纹试件进行了过载-低载荷组合的变幅疲劳试验，载荷为过载后紧随一个低载，基线载荷比为R =-1。从图7显示的结果可知，与单个低载相比，过载-低载荷组合中的低载对后续裂纹扩展的加速作用相当显著，前方过载量的大小对加速有明显的影响，过载越高，低载导致的加速越明显；然而与过载量相比，不同大小的低载对加速影响的差异却并不显著。这与Skorupa 的观点有所不同。
Bacila [12]对热处理后的12NC6镍铬合金钢紧凑试件进行了图8所示过载-低载组合的疲劳试验，热处理的方式为淬火(NT500)和退火(NA)，热处理后材料的屈服极限具有明显的差异。试验中发现紧随过载后的低载对过载后的迟滞效应有明显的削弱作用，且随着低载率的增加，削弱作用越显著。由于屈服极限的差异，退火(NA)后低载对过载导致的裂纹扩展迟滞的削弱作用大于淬火(NT500)试件（图9所示），说明屈服极限对裂纹扩展迟滞的影响不可忽视。
第5期钱怡等：变幅载荷下疲劳裂纹扩展 (559)
560船舶力学第14卷第5期图7过载-低载组合的裂纹扩展速率[7]图8载荷方式[12]
Fig.7Variation of the crack propagation rate where Fig.8Loading history[12]
single tensile overload and compression
underload were applied[7]
（a）QT500△K ul=K min○K ul=6*K ul=4□K ul=2（b）NA△K ul=K min○K ul=-1*K ul=-4□K ul=-7图9镍铬合金钢裂纹扩展情况：（a）淬火(NT500)处理；(b)退火(NA)处理[12] Fig.9Crack growth speed evolution vs.crack growth length:(a)NA heat treatment;(b)QT500heat treatment[12]
Schijve[10]对D16Cz合金的中心裂纹试件进行了变载下的疲劳试验，强调不同的载荷组合，疲劳裂纹扩展寿命不同。单纯的恒载-低载组合，表现出常规的裂纹扩展加速现象；而过载-低载-恒载组合的疲劳寿命较低载-过载-恒载的组合长，即前者低载对迟滞的削弱小。但Misawa和Schijve在早期对铝合金的疲劳试验中也曾对过载-低载-恒载的组合，与低载-过载-恒载的组合进行过比较[13]，从总体平均的角度看，前者裂纹扩展寿命短于后者。
由此可见，无论是早期的研究，还是近期的结果，均观察到高低载荷不同组合方式导致裂纹扩展寿命存在增加和减少的两种可能性，因而单纯从载荷次序上无法判断高低组合载荷下导致的裂纹扩展的加速或迟滞。
4基线载荷的影响
对于恒载而言，一般是基线载荷比越大，裂纹扩展越快。对于单个过载的情况，Skorupa总结以往的试验结果，认为随着基线载荷比R的增加，迟滞影响减小；对于周期性过载的情况，他认为过载间或块载间的间隔愈大，迟滞愈显著。这表明基线载荷的大小、持续长度，对裂纹扩展有一定影响。近期关于载荷序列中基线载荷对裂纹扩展的影响又有许多新的结果。
图11基线载荷幅值对裂纹扩展速率的影响[15]Fig.11Baseline load effect on crack growth [15]Zhao [15]对7075-T651铝合金的疲劳实验显示，基线载荷
大小对低载后裂纹扩展的加速有一定影响（图11）：在基线
载荷幅值较小时，低载对裂纹扩展几乎无反应；而幅值较大
时，可见低载后短暂的裂纹扩展加速现象，但随后便趋于恒载
下的裂纹扩展规律。因此，Zhao 指出对于7075-T651铝合金，
低载对疲劳裂纹扩展的影响极小，可忽略。
4.2基线载荷长度的影响
Schijve [10]对D16铝合金进行了连续低载下的疲劳试验
显示，位于过载和低载间的恒幅基线载荷数越多，对载荷间
的影响作用越大。裂纹扩展的寿命随着基线载荷循环数的增
加而增加，低载-过载-恒载的组合时疲劳裂纹扩展寿命可由
原来的小于恒载寿命变为大于恒载寿命。
Zitounis [9]研究了7010铝锌镁合金和8090铝锂合金在
小幅高R 伴有大幅低R 的拉伸低载时的裂纹扩展情况，结
果显示，对于8090铝锂合金，加速量受两个低载间高R （R >0.8）小幅循环次数n 的影响极其显著，n 较小时随着n 增加，裂纹扩展加速量上升明显，到达峰值后，n 增加，裂纹扩展加
速减慢。而7010铝锌镁合金对小幅循环的次数n 的影响不
敏感（图12所示）。
Kujawski 和Ngiau [16]通过对2024-T351铝进行恒幅伴有
小幅循环，小幅循环幅值σa =(σmax －σmin )/2为疲劳极限的50%和
100%的低周、高周疲劳试验，发现有间歇的小幅载荷的情况
非常危险，而且，若载荷规律是从一段小幅载荷到恒载的过
程，小幅载荷主要对裂纹的启动有影响；反之，载荷是从恒载
到一段小幅载荷的情况，则裂纹的启动和扩展均受影响。McEvily 和Ishihara 在2008年的文章中也指出[14]，过载
和低载间的恒载的循环数对裂纹扩展也有显著影响。图10不同过载率下基线载荷比与过载迟滞循环数的关系[14]：（a ）紧凑试件；(b)中心裂纹试件
Fig.10A summary of the test results for the number of delay cycles after an overload as a function of R :
(a)CT specimen;(b)CCP specimen [14]
4.1基线载荷大小的影响
McEvily 和Ishihara [14]通过对6061-T6铝合金紧凑型厚试件和中心裂纹试件的系列拉伸过载试验（R 在0.1-0.9范围内），观察到所有的R 值均出现裂纹扩展迟滞现象。如图10所示，当载荷比R 较小时，N d 随R 的变化不明显，当R 增大到一定程度后，迟滞循环数N d 改变趋于显著。
图12低载间小幅循环数与裂纹扩展加速因子
间的关系[9]Fig.12Number n ,of small cycles between unde-
rloads,vs mean acceleration factor [9]
第5期钱怡等：变幅载荷下疲劳裂纹扩展 (561)
图13块载形式[11]Fig.13Block loading [11]
可见基线载荷数对裂纹扩展的迟滞和加速均有作用，至于导致最终寿命延长还是缩短，与材料、载荷的组
合方式有关。
5块载大小、长度对疲劳裂纹扩展的影响
随机变载常常可以近似等效为块载处理，显然块载
作用下裂纹扩展规律的研究更具实际意义。这方面的研
究内容众多，以下是几种具有代表性的结果。Sander 在2006年指出[11]，低-高块载的情况下，裂纹
扩展加速现象在铝合金紧凑试件上可以观察到；而高-低
载荷下，可见扩展迟滞；对于低-高-低载荷块的情况，迟滞
和加速均可观察到。以图13所示的低-高-低类块载为
例，Sander 在对铝合金变载实验中给出了不同载荷配置
下块载比与迟滞数（或加速量）间的关系（图14）。可以看
出，当块载比R block （K block /K Bl,max,）小于1.8时，（N D +N block ）/N CA
小于1，这意味着当块载比基线水平载荷大得不多时，裂
纹扩展将加速，而过载块比基线水平载荷大1.8倍以上时，裂纹扩展将迟滞。块载对裂纹扩展的影响程度主要取决于块载比、块载长度。Rodopoulos [2]通过对2024-T351铝合金的疲劳实验证实，不同的块状过载的大小、作用时间以及它在疲劳阶段
作用的特点，将导致裂纹增长的加速或迟滞。为了更好地
了解裂纹长度对过载响应的影响，Rodopoulos 针对相同过载条件下四种长度的裂纹：微观结构短裂纹、物理短裂纹、
长裂纹和非常长裂纹进行触发和持续过载实验。他指出，
（1）恒幅载荷加块状过载的情况下，微结构短裂纹疲劳寿
命与过载量、加载频率有关，过载量较小时（10%的过载），
裂纹扩展加速；过载量较大时（20%过载），低周疲劳表现
出裂纹扩展迟滞的现象，而高周疲劳则扩展加速；（2）块
状过载导致物理短裂纹大多数出现迟滞现象，但低周疲
劳在高块载较小，且数量较少时（如50周连续高载），表
现出扩展加速现象，随着块载增长，裂纹扩展减缓；（3）长
裂纹通常出现裂纹扩展迟滞现象，但随着高载块的增长，
迟滞量减小，寿命逐渐减少；例外的是低周疲劳在高过载
率下，随着高块载的增长，扩展由迟滞转为加速；（4）非常
长裂纹在高应力水平时，高过载和块载较长的情况下，裂
纹扩展加速，寿命下降；而高周疲劳高块载较小、较短时，
裂纹扩展仍然表现出迟滞。
Vasudevan 和Kalnaus 对AL6XN 不锈钢紧凑试件的
疲劳试验结果表明[3]，在图15所示的两步载荷序列中，若
两步的最大载荷相同，则第一载荷步对裂纹扩展几乎无影响；若它们的最小载荷相同或载荷比相同，则图14块载比R block 、块载长度N block 、迟滞循环数N D
与块载类型的关系
[11]Fig.14Ratio of total lifetime (N D +N block )and the number
CA cycles N CA depending on block loading ratio and block categories [11]
562船舶力学
第14卷第5期
第5期钱怡等：变幅载荷下疲劳裂纹扩展 (563)
第一载荷步对后续的裂纹扩展有重大影响，迟滞现象明显。
综上所述，可见Skorupa在1998年总结出的块状过载后迟滞总是出现，迟滞量随过载量增大而增大，随块载中过载的长度增大而增大的结论不尽完整，实际上裂纹的大小、过载量以及块载的长度等因素共同决定裂纹扩展过程的长短。
6试件影响
6.1试件类型
用于疲劳试验的试件通常有板状紧凑试件、中心裂纹试件、圆轴试件等，但同一材料、不同试件类型，所得的疲劳寿命、裂纹扩展方式却有所不同。因此，疲劳裂纹扩展受试件类型影响的程度、方式已开始引起重视。McEvily和Ishihara通过6061-T6铝合金紧凑型厚试件和中心裂纹试件在100%-300%过载，且基线载荷比R在0.1-0.9范围内的拉伸实验，观察到迟滞循环数N d在高R值时与试件类型有关[14]：紧凑型试件的N d随R增大；中心裂纹试件的N d随R减小（图10所示）。
6.2试件厚度
早期研究认为，处于平面应力、平面应变两种不同的受力方式和变形下，裂纹扩展的情况有所不同。在变幅载荷作用下，板厚对裂纹扩展的影响又有了新的研究成果。Skorupa对结构钢18G2A紧凑试件进行了恒幅和变幅载荷下的疲劳试验[17]，给出了单个过载下的疲劳裂纹扩展行为，显示了试件厚度与迟滞、加速的关系。从试验结果看，试件厚度对过载后的d a/d N影响很大，试件越薄，过载迟滞越明显，当试件厚度达到18mm时，过载厚裂纹出现加速扩展的现象。McEvily在2004年指出[18]，随着厚度的增加，裂纹张开的水平减小，同时迟滞的循环数也随着厚度的增加而减少。
7低于应力强度因子门槛值的小应力在变载疲劳裂纹扩展中的表现
恒幅载荷下，若应力强度因子低于门槛值，裂纹不扩展，但变幅载荷下，高低应力交替出现，其中低于门槛值的小应力对裂纹扩展影响程度，已受到关注。
McEvily[19]根据0.46%碳钢在两级载荷下的疲劳试验结果，指出低载小于疲劳极限时，裂纹扩展主要在高载作用期间发生。
Mayer[20]通过对319-T7铸铝合金在两阶段载荷序列的试验（高应力值大于疲劳极限，低应力值小于疲劳极限），指出：（1）高应力大于疲劳极限的40%，或高应力强度大于门槛应力强度25%时，载荷谱中低应力是有害的，此时疲劳寿命低于用线性累积损伤理论、忽略低应力影响时所得的寿命值，裂纹扩展加速；随着小应力增大，达到疲劳极限时，危害最严重。（2）载荷谱中高应力为恒幅载荷疲劳极限的15%左右，或高应力强度在门槛应力强度15%左右时，低应力起有利作用，疲劳寿命将延长，裂纹扩展受阻，可能停止，但也有例外。这也从另一个侧面反映出过载量（或二级应力水平中高应力量）对裂纹扩展寿命的影响。
8结论
通过对二十一世纪以来变幅实验结果的综合分析，并与在1998年Skorupa的综述文章的结论比较，一方面，进一步验证了部分结论的正确性，也指出了部分结论的不完善；另一方面，展现了新的研究成果。针对上述6个方面对影响变幅载荷下疲劳裂纹扩展因素的讨论，可得出以下结论：（1）过载既可导致疲劳裂纹扩展迟滞，也可加速；裂纹扩展加速常出现在基线载荷（应力）比R＜0的情况和过载量很大或裂纹很长的情况。过载量直接影响迟滞量或加速量，通常迟滞量随过载量增加
564船舶力学第14卷第5期
而增大，但有上限；加速量随过载量增加而减小。另外，裂纹扩展对过载不敏感的现象也存在。
（2）低载普遍导致裂纹扩展加速，且加速随低载量增大而增加。同时，也存在某些材料对低载不敏感的情况。
（3）高-低载荷组合导致裂纹扩展迟滞还是加速，低-高载荷组合导致裂纹扩展加速还是迟滞，没有普遍规律可循。所以，单纯通过高低载荷组合的方式判断裂纹扩展的迟滞还是加速，裂纹扩展寿命增长还是缩短，是不可靠的。
（4）位于过载（或低载）间的载荷循环数、过载（低载）的次数、连续过载或连续低载的次数（也称载荷长度），对载荷间相互作用的影响显著，对裂纹扩展的影响不可忽视。当位于过载（低载）间的基线载荷循环数增加时，裂纹扩展迟滞量（加速量）上升；间歇过载（低载）次数增加，通常过载（低载）的影响加大；连续过载（低载）的循环数增加，同样影响加大。但以上的增加量均有极限值，超出极限，则将反方向变化。另外，这些情况主要针对物理短裂纹和长裂纹而言，极短、极长的裂纹除外。
（5）不同试件，不同的裂纹位置，对过载（低载）后疲劳裂纹扩展的反应不同，因此所表现出的迟滞、加速现象不同。在疲劳寿命评估和预测时，裂纹种类、试件的厚度、试件的形式应该予以考虑。
（6）在对载荷谱进行裂纹扩展分析、寿命评估时，常常忽略小应力的影响，近期研究表明，小应力在疲劳裂纹扩展中的作用有时相当大。
综上所述，影响变幅载荷下疲劳裂纹扩展的因素众多，除材料外，主要集中在载荷大小、数量、方式、裂纹尺寸、位置、试件（构件）形状、尺寸等方面。对于涉及如此多因数问题的分析，我们建议可采用因次分析法（量纲分析法）寻找形式简单的裂纹扩展规律，建立裂纹扩展方程，这可作为今后的研究方向。
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疲劳裂纹扩展.
第五章疲劳裂纹扩展 §5.1 概述 前面介绍的内容为静载荷作用下的断裂准则。构件在交变应力作用下产生的破坏为疲劳破坏，疲劳破坏的应力远比静载应力低。 一、疲劳破坏的过程 1）裂纹成核阶段 交变应力→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核（一般出现于零件表面）。 2）微观裂纹扩展阶段 微裂纹沿滑移面扩展，这个面是与正应力轴成45°的剪应力作用面，是许 沿滑移带的裂纹，此阶段裂纹的扩展速率是缓慢的，一般为10-5mm每循环,裂纹尺寸＜0.05mm。 3）宏观裂纹扩展阶段 裂纹扩展方向与拉应力垂直，为单一裂纹扩展，裂纹尺寸从0.05mm扩展至临a，扩展速率为10-3mm每循环。 界尺寸 c 4）断裂阶段 a时，产生失稳而很快断裂。 当裂纹扩展至临界尺寸 c 工程上一般规定：①0.1mm～0.2mm裂纹为宏观裂纹；②0.2mm～0.5mm，深 0.15mm表面裂纹为宏观裂纹。 N）宏观裂纹扩展阶段对应的循环因数——裂纹扩展寿命。（ p N） 以前阶段对应的循环因数——裂纹形成寿命。（ i 二、高周疲劳和低周疲劳 高周疲劳：当构件所受的应力较低，疲劳裂纹在弹性区内扩展，裂纹的疲劳寿命较长。（应力疲劳） 低周疲劳：当构件所受的局部应力已超过屈服极限，形成较大的塑性区，裂纹在塑性区中扩展，裂纹的疲劳寿命较小。（应变疲劳） 工程中一般规定N ≤105为低周疲劳。 f 三、构件的疲劳设计
1、总寿命法 测定S－N曲线（S为交变应力，N为应力循环周次）。 经典的疲劳设计方法是循环应力范围（S－N）曲线法或塑性总应变法来描述导致疲劳破坏的总寿命。 在这些方法中通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数和应变循环数。 N=N i +N p (N i 萌生寿命，N p 扩展寿命) 2、损伤容限法（疲劳设计的断裂力学方法） 容许构件在使用期内出现裂纹，但必须具有足够的裂纹亚临界扩展寿命，以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件破坏。 疲劳寿命定义为从某一裂纹尺寸扩展至临界尺寸的裂纹循环数。
材料疲劳裂纹扩展设计研究综述
材料疲劳裂纹扩展研究综述 摘要:疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型，并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。发展相关理论和方法，正确认识影响机理，科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是人们追求的目标。指出了常用理论的不足，对新的研究方法进行了论述。 关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展 1 前言 19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。 经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年) ，Elber的裂纹闭合理论(1971年) ，Wheeler 等的超载迟滞模
型(1970年) ，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Sadananda和Vasudevan ( 1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。本文将对其研究中存在问题、常用方法和理论模型、以及温度、载荷频率和应力比对疲劳裂纹扩展影响的研究成果和新近发展起来的相关理论进行介绍。 2 疲劳裂纹扩展研究现存问题 如今，人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们是否正确，却一直在人们的验证和争论之中。 根据现有的研究结果，有学者提出，若按照“塑性钝化模型”理论，强度高的材料应具有较低的裂纹扩展速率，但实验结果却不能证实这一预测。另外，该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上不妥，也与实测结果不符。观察结果表明，裂纹尖端钝化是一个渐进的过程，钝化半径与外载荷大小成正比。 而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”在什么情况下存在，能否对材料的裂纹扩展速率产生重要影响，考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于“裂纹闭合效应”理论推出的结论是:“对载荷比的依赖性不是材料的内在行为，而是源于裂纹表面提前闭合后应力强度因子幅(△K) 的变化”，所以早在1984年S.Suresh等人就指出[1]，“裂纹闭合”不是一个力学参数，它受构件形状、载荷、环境和裂纹长度等因素的影响。因此，除非在实际使用过程中测量构件的裂纹闭合情况，否则在实验室里做出来的试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。1970年，Ritchie研究钢中裂纹扩展的近门槛值时发现:在真空环境下，应力比R对门槛值几乎没有影响，首度质疑了裂纹闭合的存在性和所起的作用。在前人研究的基础上，美国海军实验室的
复合型疲劳裂纹研究的现状与展望
鞍钢技术 复合型疲劳裂纹研究的现状与展望 田常海 (鞍钢技术中心) 摘要 介绍了国内外有关学者对复合型疲劳裂纹扩展的研究情况及试验结果,并对他们的理论加以详细论述,同时提出了今后这一领域的研究方向。 关键词 疲劳裂纹 扩展 Now aday Sit uation and Perspective of the Invest igation of Composite Fatig ue Crack Tian Changhai (AISC Technolog y Center) Abstract T his a rticle intr oduces t he situation of the study on co mposite fatigue cr ack spread-ing by the fo reign ex per ts and the ex per iment results,gives t he detail discussion o n their theo ry, and point s o ut the direction of t he study in t his f ield as w ell. Key Words fatig ue crack spr ead 1 引 言 疲劳裂纹的扩展取决于部件所用的材料性质、几何形状及受载情况等,过去对于疲劳裂纹扩展的描述在工程上一般都基于Paris 公式,它对描述纯Ⅰ型疲劳裂纹扩展是成功的。但是,实际工程中的大多数情况并非是纯Ⅰ型的,而往往是复合型受载,在复合型加载条件下,含有Ⅱ型裂纹的复合型裂纹往往改变原裂纹的扩展方向,含有Ⅲ型裂纹的复合 田常海 工学博士 鞍钢技术中心金检室 邮编 114001型裂纹往往发生裂纹面的扭转,对这一情况, Paris公式便无能为力。于是一些学者进行了Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展试验,提出了描述复合型裂纹扩展的理论。 2 Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹的扩展 2.1 Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹门槛值试验 Qao H ua〔1〕等人利用单边缺口试样(受非对称的四点弯曲循环加载和含倾斜裂纹板试样承受循环双轴拉伸)进行了大量的铁合金和有色合金疲劳裂纹门槛值试验,获得了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹门槛值分布图,如图1所示。图1中的实线表示下限门槛值,低于此值
疲劳裂纹扩展
疲劳裂纹扩展
不锈钢304L的疲劳裂纹扩展模拟 Feifei Fan, Sergiy Kalnaus, Yanyao Jiang （美国内华达大学机械工程学院） 摘要：一个基于最近发展的疲劳方法的实验用来预测不锈钢304L的裂纹扩展。这种疲劳方法包括两个步骤：（1）材料的弹塑性有限元分析；（2）多轴疲劳标准在基于有限元分析的可输出的拉伸实验的裂纹萌生与扩展预测中的应用。这种有限元分析具有这样的特点：能够实现在先进循环塑性理论下扑捉材料在常幅加载条件下重要的循环塑性行为。这种疲劳方法是基于这样的理论:当累计疲劳损伤达到一个特定值时材料发生局部失效，而且这种理论同样适用于裂纹的萌生与扩展。所以，一组材料特性参数同时用来做裂纹的萌生与扩展预测，而所有的材料特性参数都是由平滑试样试验产生。这种疲劳方法适用于I型紧凑试样在不同应力比和两步高低加载顺序下等幅加载的裂纹扩展。结果显示，这种疲劳方法能够合理的模拟在试验上观察到的裂纹扩展行为，包括刻痕影响、应力比的影响和加载顺序的影响。另外，这种还方法能够模拟从刻痕到早期的裂纹扩展和疲劳全寿命，而且预测的结果和试验观察的结果吻合得很好。 关键词：累计损伤；疲劳裂纹扩展；疲劳标准 1 .简介 工程承压设备经常承受到循环加载，一般说来，疲劳过程有三个阶段组成：裂纹萌生和早期裂纹扩展、稳定裂纹扩展和最后的疲劳断裂。裂纹扩展速率dN da/通常被表示为重对数图尺在应力强度因素范围上的一个功能。在常幅加载下，不同应力比时稳定的裂纹扩展结果通常服从Paris公式和其修正公式。常幅疲劳加载下不同材料的行为不同。有些材料表现为应力比的影响：在相同应力比时，裂纹扩展速率曲线一致，但是，应力比增大时，裂纹扩展速率也增大。而其他金属材料没有表现出任何应力比的影响，而且在恒幅加载其裂纹扩展速率曲线在重对数图纸上重合。 在变幅加载条件下疲劳裂纹扩展行为作为另一个课题已经研究了若干年了。过载和变幅加载的应用对疲劳裂纹扩展研究产生了重大的影响。对于大多数金属材料而言，上述加载方法的应用导致疲劳裂纹扩展速率减慢。基于线弹性断裂力学的理论，这种过渡行为经常使用应力强度因子和通过引入在稳定裂纹扩展状态下的Paris公式的修
用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率
用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率 收录：《中国造船》 - 2003年,03期 作者：周驰 关键词：船舶 疲劳寿命的预报在船舶与海洋工程领域中相当重要,但其关键问题是要找到一种较科学的疲劳寿命预报方法.最近,本文第二作者提出了一种海洋结构物疲劳寿 命预报的统一方法.该方法是基于疲劳裂纹扩展理论而发展起来的,在其九个参 数模型的假设之下,能够较好地解释一些其它方法所不能解释的现象.采用该方 法的主要障碍在于需要确定疲劳裂纹扩展率.作者通过对不同的疲劳裂纹扩展率的比较研究,并推广McFvily模型后,提出了一个具有较宽适用范围的九个参数 疲劳裂纹扩展率模型(从门槛域一直到不稳定断裂域).本文的主要目的是解决如何根据一些现有的疲劳试验数据来确定这九个模型参数的问题.文中给出了通过实验数据确定裂纹扩展率模型中各个参数的方法,并进行了模型参数的灵敏度分析.通过对文献中一些试验数据的收集,给出了几种常用金属材料的裂纹扩展率 模型参数. Determination of Fatigue Crack Growth Rate Using Existing Data 正在加载... 确定疲劳裂纹扩展理论门槛值的方法 Methods of Determination of Fatigue Crack Growth Theoretical Threshold 疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹扩展理论门槛值ΔKthT的方法,特别对利用疲劳裂纹扩展速率表达式、根据da/dN～ΔK试验数据外推确定ΔKthT的三种方法作了较为详细的介绍,并用四套试验数据进行评估,结果显示,如果所采用的表达式能够正确反映近
金属材料疲劳研究综述
金属材料疲劳研究综述 摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一．引言 金属疲劳的概念，最早是由J．V．Poncelet 于1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是
非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年，美
金属材料疲劳裂纹扩展速率实验
一. 《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验》 实验指导书 飞机结构强度实验室 2007年3月
金属材料疲劳裂纹扩展速率实验 1 试验目的 1．了解疲劳裂纹扩展试验的基本原理 2．掌握金属材料疲劳裂纹扩展速率试验测定方法 3．掌握疲劳裂纹扩展试验测定装置的使用方法 4．掌握疲劳裂纹扩展数据处理方法 2 基本原理 结构在交变载荷的作用下，其使用寿命分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分。裂纹形成寿命为由微观缺陷发展到宏观可检裂纹所对应的寿命，裂纹扩展寿命则是由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命，裂纹扩展由断裂力学方法确定。 2.1疲劳裂纹扩展速率 裂纹扩展速率dN da ，即交变载荷每循环一次所对应的裂纹扩展量，在疲劳裂纹扩展过程中，dN da 不断变化，每一瞬时的dN da 即为裂纹长度a 随交变载荷循环数N 变化的N a -曲线在该点的斜率。裂纹扩展速率dN da 受裂纹前缘的交变应力场的控制，主要是裂纹尖端的交变应力强度因子的范围K ?和交变载荷的应力比R 。线弹性断裂力学认为，在应力比不变的交变载荷的作用下，dN da 随K ?的变化关系在双对数坐标系上呈图1所示的形状。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ log (?K ) ?K c ?K th log(d a /d N ) 图1 d d a N K -?曲线形状 K dN da ?-曲线分成三个阶段：低速扩展段I 、稳定扩展段II 和快速扩展段III ，阶段I 存在的垂直渐进线th K K ?=?称为裂纹扩展门槛值，当th K K ?
金属材料疲劳研究综述资料讲解
金属材料疲劳研究综 述
金属材料疲劳研究综述 摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一．引言 金属疲劳的概念，最早是由 J． V． Poncelet 于 1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材
料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及 206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公
疲劳裂纹扩展实验准备
疲劳裂纹扩展和热解碳复合材料的断裂 热解碳在人工心脏瓣膜上的成功应用已经有了很长一段时间的历史了。稳定疲劳裂纹扩展的证实使人们对于了解什么情况下会发生稳定疲劳裂纹扩展现象产生了浓厚的兴趣。在人工心瓣的许多应用中，制作材料都是采用的以石墨为核心，以热解碳为两侧表面的三层复合形式。这篇文章描述的实验就是针对研究石墨、整体热解碳和这种三层结构的石墨与热解炭的复合体进行的。 实验的主要目的是遵循ASTM标准E647的实验步骤来确定疲劳裂纹扩展率。此外，在疲劳测试完成之后，也可以通过相同的试样来确定平面应变断裂韧性K IC。其测试的步骤遵循ASTM标准E399. 试验样品 实验样品是一种对ASTM标准E399的圆盘紧凑拉伸样品DC（T）进行了改进的试样。这种样品与标准样品的稍微不同在于它没有被削平的部分也就是说没有尺寸c，形状上是一个完整的圆形。其公称直径为25.4mm，并且带着一个机械加工出来的4.8mm的裂纹，这个机械裂纹宽度为0.2mm，其尖端圆角半径为0.1mm。（样品的边缘是否可以有涂层，对结果会有什么影响？） 其中有一组复合试样，（这里所说的一组是复合样品的哪一组，还是所有的复合样品都是这种形式？）其试样中间有一个直径为3.2mm的孔，所以其机
械裂纹的长度名义上就变为8.0mm。这个机械加工缺口越过中间孔向试样背面延伸了大约0.5mm。（这里有孔样品与没有孔的样品在实验过程和结果上有区别没有？） 因为使用的试验样品和ASTM标准的E399DC(T)样品稍有不同，所以这里把K1值作为裂纹尺寸的函数，并采用有限元分析去确定K1值。（应力强度因子K1值与△K如何确定，可以直接读出还是需要自己计算？）结果显示，对于E399样品的描述同样适用于现在这种试验样品，并且误差在2%范围之内。这样的话，所有的计算过程都可以依据E399DC(T)样品的步骤来进行。 许多的实验圆片都是用中间是石墨、外围涂层是热解碳的三层复合材料制成。因为两种材料的弹性模量不同，所以在每一层上，给定的裂纹长度所对应的应力强度因子也不尽相同。在这篇文章中，假设所有的圆盘都具有一致的弹性模量，根据E399计算出了所有的应力强度因子的数据。 实验材料 石墨的样品是由半导体石墨股份有限公司利用石墨块切削加工制成的。根据钨的含量分为两个等级，AXF-5Q（含钨0%）和AXF-5Q10W（含钨10%）。（这里石墨样品的厚度为多少？） 单片热解碳样品是这样制成的：先在石墨圆盘两侧表面上涂覆0.69mm厚
金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法(标准状态：现行)
I C S77.040.10 H22 中华人民共和国国家标准 G B/T6398 2017 代替G B/T6398 2000 金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法M e t a l l i cm a t e r i a l s F a t i g u e t e s t i n g F a t i g u e c r a c k g r o w t hm e t h o d (I S O12108:2012,MO D) 2017-07-12发布2018-04-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
目 次 前言Ⅲ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义1 4 符号和缩写3 5 试样5 6 试验设备13 7 试验步骤1 8 8 裂纹长度测量21 9 计算22 10 试验报告23 附录A (资料性附录) 裂纹长度的非目测法测量 电位法28 附录B (资料性附录) 裂纹长度的非目测法测量 柔度法30 附录C (资料性附录) 含水介质中疲劳裂纹扩展测定的特殊要求36 附录D (资料性附录) 疲劳小裂纹扩展测定方法40 附录E (资料性附录) 疲劳裂纹张开力的测定方法44 参考文献48
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准代替G B/T6398 2000‘金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法“,与G B/T6398 2000相比主要技术变化如下: 修改了标准的适用范围(见第1章); 修改了规范性引用文件(见第2章); 修改了符号二定义,将其分为术语和定义二符号和说明两章(见第3章二第4章,2000版第3章); 修改了试样类型(见第5章,2000版第4章); 修改了试验设备要求(见第6章,2000版第5章); 修改了试验程序要求,本标准用第7章试验步骤和第8章裂纹长度测量来阐述对试验过程的要求; 修改了试验结果的处理和计算的要求(见第9章,2000版第7章二第8章); 删除了有效性试验数据的判据;删除了对高应变硬化材料的有效性试验数据的判据要求;删除了应力强度因子计算部分的内容; 删除原标准附录A内容;将原标准附录D作为本标准附录A(资料性附录);将原标准附录E 作为本标准附录D(资料性附录);将原标准附录F作为本标准附录E(资料性附录);增加本标 准附录C(资料性附录)含水介质中疲劳裂纹扩展速率测试的试验程序的要求三 本标准使用重新起草法修改采用I S O12108:2012‘金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法“三主要结构与国际标准一致三本标准对I S O12108:2012在以下方面进行了修改和补充,并在正文中它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识: 关于规范性引用文件,本标准做了具有技术性差异的调整,以适应我国的技术条件,调整的情 况集中反映在第2章 规范性引用文件 中,具体调整如下: ?用修改采用国际标准的G B/T25917代替I S O4965.1(见6.1.1); ?增加引用了G B/T10623(见第3章); ?增加引用了G B/T16825.1(见6.1.3); ?增加引用了I S O23788(见6.1.2)三 增加预裂纹长度的术语及定义(见3.20); 纠正I S O12108:2012的错误,将I S O12108:2012中 ΔK t h定义为裂纹扩展速率等于10-8mm/c y c l e时对应的ΔK值 ,修改为 ΔK t h定义为裂纹扩展速率等于10-7mm/c y c l e时 对应的ΔK值 (见9.3); 为与新的国际标准I S O23788‘金属材料疲劳试验机同轴度校准“要求保持一致,修改了试验 机同轴度的要求(见6.1.2,I S O12108:20125.1.2); 按照I S O23788关于加载同轴度的计算公式,删除了国际标准弯曲应变的计算公式(见6.1.2, I S O12108:20125.4.5)三 本标准还做了下列编辑性修改: 将I S O12108:2012的第5章 试验设备 和第6章 试样 的前后顺序进行了调整; 增加资料性附录B:裂纹长度非目测法测量 柔度法; 增加资料性附录C:含水介质中疲劳裂纹扩展测定的特殊要求; 增加资料性附录D:疲劳小裂纹扩展测定方法;
综述-铝合金疲劳及断口分析
文献综述 （2011级） 设计题目铝合金疲劳及断口分析 学生姓名胡伟 学号201111514 专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师 院系名称材料科学与工程学院 2015年4月12日
铝合金疲劳及断口分析 1 绪论 1.1 引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。 现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史 在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国
疲劳裂纹扩展
不锈钢304L的疲劳裂纹扩展模拟 Feifei Fan, Sergiy Kalnaus, Yanyao Jiang （美达大学机械工程学院） 摘要：一个基于最近发展的疲劳方法的实验用来预测不锈钢304L的裂纹扩展。这种疲劳方法包括两个步骤：（1）材料的弹塑性有限元分析；（2）多轴疲劳标准在基于有限元分析的可输出的拉伸实验的裂纹萌生与扩展预测中的应用。这种有限元分析具有这样的特点：能够实现在先进循环塑性理论下扑捉材料在常幅加载条件下重要的循环塑性行为。这种疲劳方法是基于这样的理论:当累计疲劳损伤达到一个特定值时材料发生局部失效，而且这种理论同样适用于裂纹的萌生与扩展。所以，一组材料特性参数同时用来做裂纹的萌生与扩展预测，而所有的材料特性参数都是由平滑试样试验产生。这种疲劳方法适用于I型紧凑试样在不同应力比和两步高低加载顺序下等幅加载的裂纹扩展。结果显示，这种疲劳方法能够合理的模拟在试验上观察到的裂纹扩展行为，包括刻痕影响、应力比的影响和加载顺序的影响。另外，这种还方法能够模拟从刻痕到早期的裂纹扩展和疲劳全寿命，而且预测的结果和试验观察的结果吻合得很好。 关键词：累计损伤；疲劳裂纹扩展；疲劳标准 1 .简介 工程承压设备经常承受到循环加载，一般说来，疲劳过程有三个阶段组成：裂纹萌生和早期裂纹扩展、稳定裂纹扩展和最后的疲劳断裂。裂纹扩展速率dN da/通常被表示为重对数图尺在应力强度因素围上的一个功能。在常幅加载下，不同应力比时稳定的裂纹扩展结果通常服从Paris公式和其修正公式。常幅疲劳加载下不同材料的行为不同。有些材料表现为应力比的影响：在相同应力比时，裂纹扩展速率曲线一致，但是，应力比增大时，裂纹扩展速率也增大。而其他金属材料没有表现出任何应力比的影响，而且在恒幅加载其裂纹扩展速率曲线在重对数图纸上重合。 在变幅加载条件下疲劳裂纹扩展行为作为另一个课题已经研究了若干年了。过载和变幅加载的应用对疲劳裂纹扩展研究产生了重大的影响。对于大多数金属材料而言，上述加载方法的应用导致疲劳裂纹扩展速率减慢。基于线弹性断裂力学的理论，这种过渡行为经常使用应力强度因子和通过引入在稳定裂纹扩展状态下的
变幅载荷下疲劳裂纹扩展规律试验研究综述
第14卷第5期船舶力学Vol.14No.5 2010年5月Journal of Ship Mechanics May2010文章编号：1007-7294（2010）05-0556-10 变幅载荷下疲劳裂纹扩展规律试验研究综述 钱怡1,2，崔维成2 （1江南大学机械工程学院，江苏无锡，214122；2中国船舶科学研究中心，江苏无锡，214082） 摘要：文章对最近10年来有关变幅载荷下材料疲劳裂纹扩展和失效规律的实验研究方面的最新成果进行了归纳总结。综述内容包括：过载、低载在疲劳裂纹扩展中的作用；过载-低载组合作用时裂纹扩展的情况；基线载荷的影响；块载大小、长度对疲劳裂纹扩展的影响；试件影响；低于应力强度因子门槛值的小应力在变载疲劳裂纹扩展中的表现等六个方面。通过这一综述，进一步验证了部分结论的正确性，同时也发现了部分结论的不完善性。 文中也提出了变幅载荷下疲劳裂纹扩展模型的初步设想。 关键词：疲劳裂纹扩展；疲劳寿命；变幅载荷；载荷次序效应；疲劳实验 中图分类号：0346.2文献标识码：A An overview on experimental investigation on variable amplitude fatigue crack growth rule QIAN Yi1,2,CUI Wei-cheng2 (1School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi214122,China 2China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China) Abstract：An overview of the present state of the art is carried out for the experimental study of the vari-able amplitude fatigue problem in the last10years.The summary is divided into six categories:overload(un-derload)effects on fatigue crack growth;the combination effects of overloads and underloads;the role of baseline load;the effects of magnitude and length of block loads;the influence pattern specimen and the be-havior of small stress,etc.Through this overview,some former conclusions were further confirmed while some previous conclusions about fatigue crack growth rule were found incomplete.The general idea for de-veloping a new model of fatigue crack growth is proposed. K ey words:fatigue crack growth;fatigue life;variable amplitude loading;load interaction effects; fatigue tests 1引言 绝大多数工程结构在变幅载荷作用下工作，尤其是船舶、海洋结构物以及飞机部件等，疲劳损伤是它们失效的主要原因。迄今为止，关于结构在变幅载荷下的疲劳寿命预测研究已有80多年的历史，取得了大量的研究成果，其中最早期，也是最著名的如P覽lmgren-Miner的线性累积损伤理论，它以形式简单，便于使用而备受工程领域的欢迎，但该模型的不足之处也显而易见，即载荷的次序效应被忽略。随后的研究发现，除了材料自身的特性外，疲劳裂纹的扩展规律取决于所作用的载荷的大小和方式，载荷 收稿日期：2010-01-22 作者简介：钱怡（1962-），女，江南大学机械工程学院副教授； 崔维成（1963-），男，博士，中国船舶科学研究中心研究员，博士生导师。