16MnR鋼疲勞裂紋擴(kuò)展形貌和擴(kuò)展路徑的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、在石油化工、動(dòng)力、航空航天等領(lǐng)域中，大量壓力容器與各類承壓設(shè)備都是在復(fù)雜的多軸循環(huán)載荷下工作，容易引起工程結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。因此，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及裂紋擴(kuò)展行為預(yù)測(cè)方法進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)的工程意義。
　　 本文采取試驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)相結(jié)合的研究方法，進(jìn)行大量的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，并根據(jù)目前多軸疲勞損傷準(zhǔn)則的新成果，對(duì)I-II型復(fù)合加載疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了定量準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
　　

2、 針對(duì)16MnR鋼不同厚度的缺口緊湊拉伸試樣，進(jìn)行了I型常幅加載和過載的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)；采用半幅降載勾線法，獲取I型加載三種厚度試樣的裂紋擴(kuò)展形貌。結(jié)果表明：I型常幅加載的裂紋擴(kuò)展形貌可用橢圓方程合理描述，具有“隧道效應(yīng)”(crack tunneling)的特征；沿著試樣厚度方向上，中心層裂紋前沿的疲勞裂紋啟裂壽命比表面層裂紋前沿的更短；在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段，裂紋以很相似的橢圓形裂紋形貌向前擴(kuò)展，中心層裂紋前沿(平面應(yīng)變狀態(tài))的裂紋擴(kuò)展

3、速率與表面層裂紋前沿(平面應(yīng)力狀態(tài))的接近相等。過載時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，經(jīng)歷了滯后延遲和延遲兩個(gè)階段。對(duì)薄試樣，過載延遲區(qū)裂紋擴(kuò)展形貌與穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展形貌基本一致；對(duì)厚試樣，過載延遲區(qū)裂紋擴(kuò)展形貌表現(xiàn)為“Ω”形狀，這與橢圓形狀的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展形貌有較大差異?；谟邢拊治雠c多軸疲勞損傷概念，合理解釋I型常幅加載裂紋啟裂三維特性及裂紋擴(kuò)展形貌演化規(guī)律。
　　 針對(duì)16MnR鋼不同厚度的缺口緊湊拉剪試樣，設(shè)計(jì)了I-II型復(fù)合分

4、步加載的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。在裂紋擴(kuò)展過程中，缺口緊湊拉剪試樣始終經(jīng)歷I-II型復(fù)合加載，裂紋擴(kuò)展路徑不斷發(fā)生改變。特別地，加載方向改變之后，處于疲勞殘余損傷區(qū)(RDZ)的裂紋前沿受到先前加載步的影響，裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率存在較大延遲現(xiàn)象，并且裂紋擴(kuò)展路徑逐漸向外載荷垂線方向靠近或跨越。通過線彈性有限元應(yīng)力分析，得出沿裂紋擴(kuò)展路徑方向上裂紋前沿的載荷復(fù)合比，合理解釋I-II型復(fù)合分步加載裂紋擴(kuò)展路徑轉(zhuǎn)變規(guī)律。

5、r>　　 結(jié)合Jiang-Sehitoglu循環(huán)塑性模型和Jiang多軸疲勞損傷準(zhǔn)則，運(yùn)用“基于連續(xù)累積損傷的裂紋啟裂和裂紋擴(kuò)展統(tǒng)一預(yù)測(cè)模型”，精確預(yù)測(cè)了16MnR鋼I-II型復(fù)合分步加載疲勞裂紋擴(kuò)展行為(疲勞裂紋擴(kuò)展速率和裂紋擴(kuò)展路徑)，并且準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)裂紋擴(kuò)展方向的逐漸轉(zhuǎn)變過程。Jiang-Sehitoglu循環(huán)塑性模型能夠合理描述16MnR鋼材料的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)；基于精確的裂紋前沿應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，Jiang多軸疲勞損傷準(zhǔn)則