複合型疲勞裂紋轉型擴展規律及機理研究

《複合型疲勞裂紋轉型擴展規律及機理研究》是依託北京化工大學，由李慧芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：複合型疲勞裂紋轉型擴展規律及機理研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李慧芳

項目摘要

複合型疲勞裂紋在擴展中一般會向I型轉化，轉型擴展過程和材料有關，但發生轉型卻幾乎和材料無關，有著力學或熱力學上的必然性。本項目力求揭示複合型疲勞裂紋轉型擴展規律和機理，豐富斷裂力學理論。為此，製作由不同材料製成的含不同側斜或傾斜角穿透裂紋的十字形試樣，進行I+II和I+III複合型疲勞裂紋擴展實驗；對疲勞裂紋擴展過程進行數值模擬，確定其裂紋尖端的應力強度因子；在實驗和數值模擬的基礎上，擬合得出裂紋擴展轉型率和裂紋擴展速率表達式，得到對應材料的複合型疲勞裂紋轉型擴展規律；對疲勞試件進行金相和斷面分析，研究材料性質以及裂紋組分的影響；基於位錯與裂紋的相互作用理論，模擬位錯從複合型裂紋尖端發射或湮滅過程，研究在疲勞載荷作用下，複合型裂紋前端塑性區和無位錯區的回響，考察殘餘塑性區和殘餘無位錯區；研究裂尖周圍應力與應變能分布；揭示裂紋型式轉化的可能性和驅動力。

結題摘要

斷裂是工程材料的主要失效形式，裂紋分為三種基本形式，而大多數裂紋是由基本裂紋組成的複合型裂紋，複合型裂紋的轉型擴展問題是重要的斷裂力學問題。複合型疲勞裂紋擴展一般會向I 型轉化，轉型擴展過程和材料有關，但發生轉型卻幾乎和材料無關，有著力學或熱力學上的必然性。本項目力求揭示複合型疲勞裂紋轉型擴展規律和機理，豐富斷裂力學理論。項目從實驗和模擬兩方面進行研究。實驗採用不同材料製成的含不同傾斜角穿透裂紋試樣進行I+II複合型疲勞裂紋擴展實驗；對裂紋擴展過程進行模擬，確定其裂尖的應力強度因子；得出裂紋擴展轉型率和裂紋擴展速率表達式，得到對應材料的複合型疲勞裂紋轉型擴展規律；對疲勞試件進行金相和斷面分析，研究材料性質以及裂紋組分的影響，重點分析了材料取向、應變強化和超載遲滯等因素對裂紋擴展路徑、擴展速率和轉型的影響，微觀角度分析了位錯從裂紋尖端發射和湮沒，研究了裂紋擴展尖端的微觀形態，包括裂尖損傷、裂紋走向和斷口形貌。研究認為，不管複合型裂紋初始傾角如何，預製裂紋總是沿著與載入方向垂直的方向擴展，而且疲勞裂紋在不同材料中轉型擴展路徑與所施載入荷的相對幅值大小無關。應變強化實驗表明，裂紋擴張速率在裂紋的起始階段明顯低於未經強化的材料，隨著裂紋的擴展裂紋增長速率增長較快，到最後階段超過了未經強化的裂紋擴展速率。材料的預應變強化有助於降低疲勞裂紋的增長，而疲勞裂紋增長速率並不會隨著預應變水平的增加單調增加，當預應變水平高於6%時，裂紋增長速率會反彈，但仍然低於未進行預應變強化的試件。對不同取向試件的疲勞實驗表明，不同取向試件的裂紋擴展速率均隨I型應力強度因子的增加而增加，但是材料取向對裂紋擴展路徑基本沒有影響，對裂紋擴展速率的影響也很小。 超載實驗表明，啟裂前的超載使得裂紋啟裂難度大大提高。擴展過程中超載，在一定程度上可延緩裂紋擴展。裂紋擴展速率曲線表明超載後裂紋擴展速率會突然降低，然後逐漸回到甚至超出無超載時的疲勞裂紋擴展速率。