循環(huán)與準靜態(tài)裂紋擴展的理論和測試方法.pdf

1、含缺陷服役構(gòu)件在準靜態(tài)和循環(huán)載荷作用下，部件的極限強度、剩余壽命和啟裂失效的結(jié)構(gòu)完整性（integrity of structures，IOS）基礎(chǔ)研究一直受到工程與學術(shù)界重視。在一些高溫、腐蝕、輻照、真空等特殊或極端環(huán)境下，即便是在實驗室也無法便捷和高效的獲取材料的相關(guān)力學性能，難以為含缺陷部件的IOS分析提供所需的材料力學性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從材料代表性體積單元(representative volume element，RVE)的損傷相

2、關(guān)性角度，深入和系統(tǒng)的開展材料力學性能評估理論方面的研究對促進含缺陷部件的IOS分析具有十分重要的意義。本文在材料單軸、純扭低周疲勞(low cycle fatigue，LCF)臨界損傷律與Ⅰ型、Ⅱ型疲勞裂紋擴展（fatigue crack growth，F(xiàn)CG）速率的關(guān)聯(lián)性、材料單軸LCF臨界損傷律與含Ⅰ型非穿透結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展（structural fatigue crackgrowth，SFCG）演化的.關(guān)聯(lián)性和基于直通型緊湊拉伸

3、(front face compact tension，F(xiàn)FCT)試樣的載荷分離(load separation，LS)測試技術(shù)獲取材料J積分阻力(J integral resistance，JR)曲線共四個方面進行了深入和細致的研究。主要完成的工作內(nèi)容如下:
　　1.針對Ⅰ型裂紋，利用小范圍屈服(small scaleyield，SSY)條件下Rice的塑性疊加原理和遠端單向拉伸載荷作用下裂紋尖端區(qū)的兩類應(yīng)力應(yīng)變場:HRR(Hu

4、tchinson-Rice-Rosengren)場與RKE(Rice-Kuj awski-Ellyin)場，獲得了裂紋尖端區(qū)的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場;另外在遠端循環(huán)載荷作用下Ⅰ型裂紋尖端區(qū)存在拉壓循環(huán)下的裂紋閉合(crack closure，CC)效應(yīng)，因此需將循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場考慮拉壓循環(huán)下CC效應(yīng)修正后得到在疲勞載荷作用下的有效循環(huán)場和有效循環(huán)塑性區(qū)(cycle plasticzone，CPZ)尺寸;在有效CPZ內(nèi)，根據(jù)Ⅰ型裂紋尖端區(qū)的兩類有效

5、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場及塑性應(yīng)變能密度（plastic strain energy density,PSED）和Miner的線性損傷累積(linear damageaccumulation，LDA)兩種疲勞失效準則分別建立了基于材料單軸LCF臨界損傷律預(yù)測Ⅰ型FCG速率的理論模型（即用于Ⅰ型裂紋壽命評估的Shi-Cai模型）。結(jié)合15種工程材料的FCG速率試驗數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果進行了系統(tǒng)的對比和分析，從拉壓循環(huán)下CC效應(yīng)、兩種疲勞失效準則和兩類

6、有效循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場這三個方面討論了Ⅰ型裂紋壽命評估的Shi-Cai模型預(yù)測精度。
　　2.對于薄板中含Ⅰ型非穿透結(jié)構(gòu)裂紋，結(jié)合所提出的Shi-Cai模型、Ⅰ型非穿透結(jié)構(gòu)裂紋前緣各點的應(yīng)力強度因子(stress intensity factor,SIF)和結(jié)構(gòu)裂紋形貌疲勞擴展的非自相似(non self-similar，NSS)原理，發(fā)展了直接通過材料單軸LCF臨界損傷律預(yù)測含Ⅰ型非穿透結(jié)構(gòu)裂紋剩余壽命和形貌演化規(guī)律的理論模型?；?/p>

7、三種材料的非穿透SFCG試驗數(shù)據(jù)，詳細討論了薄板中含Ⅰ型非穿透SFCG理論模型的預(yù)測精度。另外，利用7075-T6鋁合金材料，深入和細致研究了薄板中含五種常見的Ⅰ型非穿透結(jié)構(gòu)裂紋在承受遠端循環(huán)拉拉、彎曲和拉彎組合載荷作用下裂紋形貌疲勞擴展的演化規(guī)律。研究表明:結(jié)構(gòu)裂紋最終形貌的擴展僅取決于遠端所施加循環(huán)載荷的方式而與初始缺陷尺寸無關(guān)。
　　3.針對Ⅱ型裂紋，考慮SSY條件下Rice的塑性疊加原理和遠端單向剪切載荷作用下裂紋尖端區(qū)的

8、HRR場，得到了裂紋尖端區(qū)的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場;由于Ⅱ型裂紋在遠端剪切循環(huán)載荷作用下存在裂紋面相互作用（crack surface interference，CSI），因此通過在循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場中引入修正因子Msli后可近似得到對應(yīng)疲勞載荷作用下的有效循環(huán)場和有效CPZ尺寸;在有效CPZ內(nèi)，基于Ⅱ型裂紋尖端區(qū)的有效循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場及PSED和Miner的LDA兩種疲勞失效準則分別建立了基于材料純扭LCF臨界損傷律預(yù)測Ⅱ型FCG速率的理論模型（即

9、用于Ⅱ型裂紋壽命評估的Shi-Cai模型）。通過2024-T351和7075-T6兩種鋁合金材料的FCG速率試驗數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果的對比和分析，驗證了Shi-Cai模型的預(yù)測精度?；赟hi-Cai模型還分別給出了上下各偏移50％幅度對應(yīng)的Ⅱ型FCG速率的預(yù)測結(jié)果，結(jié)果表明兩種鋁合金材料的FCG數(shù)據(jù)均包含在該范圍內(nèi)。
　　4.依據(jù)彈塑性斷裂力學（elastic-plastic fracture mechanics，EPFM）中的能

10、量原理推導和建立了臺階型緊湊拉伸(load line compact tension，LLCT)試樣和直通型緊湊拉伸(FFCT)試樣幾何因子之間的關(guān)聯(lián)，并提出了基于FFCT試樣確定材料JR曲線的LS測試技術(shù);同時，針對標準的LLCT試樣、單邊彎曲(single edge bend，SEB)試樣及所發(fā)展的FFCT試樣，利用VB(visual basic)語言開發(fā)了基于試驗手段獲取材料JR曲線的J-LST(J-load separation