耐热合金疲劳裂纹萌生和短裂纹扩展规律研究.pdf

摘要
份构件的疲劳总寿命是“纹萌生和裂纹扩展寿命的。和。某些结构的寿命是
受裂纹萌生和短裂纹扩展控制的。为了更经济、合理、安全的使用材料,设计者
要求了解该类材料疲劳裂纹萌生和非常小的疲劳裂纹的扩展特征,而裂纹萌生和
短裂纹扩展研究不但需要深入细致的理论分析,还依赖于具有高分辨率、能实时
观测和己录裂纹生长的显微观测工具的发展。夕
本文对疲劳裂纹萌生和扩展的在位观测方法进行了有益的探索。尝试用视频
显微观测技术长焦视频显微镜配合摄象头对钢在室温和高
温恒幅拉伸疲劳试验过程中试样表面疲劳裂纹萌生和扩展进行在位观测,发展了
一种在位观测疲劳裂纹萌生和扩展的试验方法。今用该方法对镍基高温合金
和钦合金含孔薄板试样,在室温和中、高温环境下单向值应力幅零
拉疲劳过程中,裂纹的萌生和扩展进行了在位连续观测,得到了两种试验材料在
四种应力幅、两种环境温度下疲劳裂纹的萌生周次,记录了疲劳短裂纹的演化过
程。结合有限元应力分析和能量涨落法则,建立了疲劳裂纹萌生期的能量随机涨
落模型,从理论上给出了疲劳裂纹萌生尺寸的物理意义解释,并导出了两种合金
疲劳裂纹萌生期、初始疲劳裂纹尺寸,与载荷条件应力范围△。、材料细
观组织参数晶粒直径“以及其他材料力学性能相关的力学方程介过有限元
方法,计算出含孔有限宽板单侧孔边双面角裂纹的裂端应力强度因子,用修正的
公式,拟合出与裂端有效应力强度因子范围相关的疲劳短裂纹扩展速率材
料常数给出包含疲劳裂纹萌生和疲劳短裂纹扩展的疲劳寿命预测公式。预测寿
命与试验结果基本吻合。

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第一章绪论
第一章绪论
引言
材料在循环应力或循环应变作用下,由于某点或某些点逐渐产生了局部的永
久性结构变化,从而在一定的循环周次以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲
劳。年国际标准化组织发表的报告“金属疲劳试验的一般原理”中
给疲劳作了如下定义〔“金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变
化叫做疲劳虽然,在一般情况下,这个术语指那些导致开裂或破坏的性能变化’,。
疲劳问题的产生,可以追述到十九世纪初叶。产业革命以后,随着蒸汽机车
和机动运载工具的发展以及机械设备的广泛应用,运动部件的破坏经常发生。破
坏往往发生在零件的截面突变处,破坏处的应力不高,低于材料的强度极限和屈
服极限。这些破坏事故使工程师们烦恼不己。直到年,其原因刁为德国人
用矿山卷扬机焊接链条进行的疲劳试验所阐明。年法国工程师
首先采用了“疲劳”这一术语,用以描述材料在交变载荷下承载能
力逐渐耗尽以至最终断裂的破坏过程。
当今,疲劳损伤已经成为导致工程结构失效的最常见的原因之一。根据文献
统计,占各类机件破坏总数的是由疲劳断裂引起的,所造成的直接经济
损失,占美、日、欧洲共同体等国家每年国民生产总和的。特别是一些
重要的机构零件,例如,高压容器、反应堆结构、航天飞行器结构、以及海洋工
程结构等,表面疲劳损伤积累往往是导致结构发生破坏,甚至灾难性事故的主要
原因。近年来,随着现代航空工业向高温、高速和大型方向发展,涡轮盘、
气轮机叶片等零件在服役条件下的载荷波动、高温、应力集中等诸多因素,使其
容易产生一定量的塑性变形,并因承受塑性变形的循环作用,常常在远低于设计
,尸,护寿命时而突然破坏,酿成事故。
断裂力学和位错理论的发展与应用,为研究疲劳问题提供了有力的工具,使
人们对材料和构件在疲劳过程中的力学行为、物理本质和和化学过程有了进一步
的了解,并提出了各种分析模型,如模型,该模型较好地描述了恒应力幅
翩北巍蠢、夏瘫主翻徽,
第一章绪论
下长裂纹的演化规律,揭示了长裂纹扩展速率与应力强度因子范围之间的相关
性,为工程构件的疲劳寿命预测提供了一种简单有效的方法。但是,随着裂纹检
测技术的进步,人们发现许多构件的疲劳寿命更主要地受控于短裂纹或小裂纹的
长大行为【。例如,用高强度耐热合金制造的涡轮盘和气轮机叶片等零件,
由于材料的屈强比高,塑性能储备少,宏观裂纹一旦形成,便迅速扩展直致断裂。
这种短裂纹具有萌生期长、稳定扩展期短、扩展速率快、临界尺寸短、失稳前裂
纹大多不可检,而用长裂纹方法又将造成寿命的非保守估计,极易引起灾难性事
故。因此,多年来,疲劳短裂纹的研究一直受到国际材料科学界和固体力学
界的高度重视,这方面的研究报道已成为国际学术期刊和国际会议的主要议题之
一。纵观这些报道和研究结果