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疲勞裂紋擴展速率
鎖定
- 中文名
- 疲勞裂紋擴展速率
- 外文名
- Fatigue crack growth rate
- 估 算
- 帕里斯公式
- 創始時間
- 1963年
- 本 質
- 裂紋長度的增加
疲勞裂紋擴展速率定義
疲勞載荷:在工程上引起的疲勞破壞的應力或應變有時呈週期性變化,有時是隨機的。
[1]
疲勞裂紋:某些材料在連續交變應力作用下,會在其表面逐漸生成裂紋,並隨着作用時間而逐漸向縱深發展。使裂紋打一展,試件的力學性能下降,最終導致完全斷裂。應該指出,有些材料耐初始裂紋生長的性能很好,但一旦生成卻發展很快。而另一些材料就正好相反。
疲勞裂紋擴展速率測定方法
曲線測定方法利用帶有預製疲勞裂紋的標準試樣,在給定載荷條件下進行恆幅疲勞裂紋擴展實驗,記錄裂紋擴展過程中的尺寸a和循環次數N,即可得到如下圖1所示的a~N曲線。a~N 曲線給出了裂紋長度隨載荷循環次數的變化。
圖1中示出了應力比R=0時,三種不同恆幅載荷Ds作用下的a~N曲線。a~N曲線的斜率,就是裂紋擴展速率da/dN。注意到裂尖應力強度因子
,
是幾何修正因子。
則由圖1中a~N曲線可知,對於給定的a,循環應力幅
增大,即
增大,則曲線斜率da/dN增大。對於給定的
,裂紋長度a增大,即
增大,則曲線斜率da/dN增大。
故裂紋擴展速率da/dN的控制參量是應力強度因子幅度
。
由a~N曲線中任一裂紋尺寸
處的斜率,即可知其擴展速率(da/dN)i,同時,由已知載荷
和
,還可以計算相應的
。這樣就由a~N曲線得到了一組,[
,(da/dN)i]數據,進而可繪出
曲線。
[2]
疲勞裂紋擴展速率關係曲線
疲勞裂紋擴展速率1區
若
,則可以認為裂紋不發生擴展。
當
時裂紋擴展較快,很快進入第二階段。在第一階段中,應力比、顯微組織、環境的影響很大。在裂紋擴展的第二階段,其擴展速率受應力比、組織類型和環境的影響很小。當過渡到第三階段,裂紋又加速擴展,當Kmax達到K1c(斷裂韌度)時試樣就斷裂了。這一階段受應力比、組織和斷裂韌性的影響較大。
研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實際工程應用上都是有意義的。十分明顯,一般的機械零件和工程構件是不會以來作為設計指標的。因為數值很低,如以來作為設計標準,這無疑是要求工作應力很低或者容許的裂紋尺寸很小。疲勞門檻值除了因應力比R的增加而減小外,還和組織有關。
疲勞裂紋擴展速率2區
是中速率裂紋擴展區。此時,裂紋擴展速率一般在
-
m/c範圍內。大量的實驗研究表明:中速率區內,
有良好的對數線性關係。利用這一關係進行疲勞裂紋擴展壽命預測,是疲勞裂紋擴展研究的重點。
疲勞裂紋擴展速率3區
疲勞裂紋擴展速率比較
S-N曲線以R=-1(對稱循環)時的曲線作為基本曲線。
疲勞裂紋擴展速率公式及推導
設
,
則
,
Y——幾何因子或形狀因子;△k——應力強度因子變程。
Pairs建議:
,
有
或
或
,
得
。
疲勞裂紋擴展速率影響因素
對於恆定載荷,
和
都是a的函數。
,其中
——初始裂紋長度;
——斷裂時裂紋長度。
對於Griffith裂紋:
。當
時,對
起作用的主要在於
,應儘可能小。
疲勞裂紋擴展速率預防措施
(1)結構設計缺陷(過大的截面變化、過小的圓角半徑等)、表面加工質量缺陷(如表面粗糙度過大、表面刀痕、磨削裂紋、劃傷;熱處理中缺陷如淬火裂紋、滲碳和氮化等表面出現網狀組織等)都加速疲勞磨損,導致疲勞失效。因此改善零件結構,避免應力集中。如採取圓角過渡;加大軸肩的圓角半徑均可將這些區域的峯值應力降下來,可有效的防止應力集中,提高其疲勞強度,軸類零件的表面或表層受力集中,是最容易產生裂紋的部位,所以採取表面強化的方法,如提高零件的表面質量,對零件進行噴丸處理、表面淬火等可提高零件的表層力學性能,提高疲勞強度。
(2)在金屬材料中加入合金元素,提高材料的疲勞強度,大大延長材料的使用壽命。
(3)對在腐蝕性環境工作的機械零件進行處理,避免產生腐蝕疲勞。如加入合金元素,防止產生晶間腐蝕。
(4)對零件、構件進行定期檢測(用超聲波和X光檢測能夠發現細小裂紋),防範於未然。
- 參考資料
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- 1. 隨機疲勞載荷的處理及載荷譜編制準則 王德俊 平安 《東北大學學報:自然科學版》1994年 第4期 327-331頁 .維普期刊[引用日期2017-10-31]
- 2. ZL111材料疲勞裂紋擴展速率試驗 陳書炎《江蘇冶金》2008年 第3期 47-49頁 .維普期刊[引用日期2017-10-31]
- 3. GH864合金蠕變/疲勞裂紋擴展速率及a-N曲線分析王璞 董建新 張麥倉 鄭磊 謝錫善《稀有金屬材料與工程》2011年 第4期 630-634頁 .維普期刊[引用日期2017-10-31]
- 4. 疲勞裂紋的產生及預防措施 劉素明 李軍《科技資訊》2007年 第18期 63頁 .維普期刊[引用日期2017-11-01]