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16MnR钢疲劳裂纹扩展形貌和扩展路径的试验研究与数值模拟

涂文锋  
【摘要】:在石油化工、动力、航空航天等领域中,大量压力容器与各类承压设备都是在复杂的多轴循环载荷下工作,容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展,进而导致灾难性的破坏。因此,对疲劳裂纹扩展规律以及裂纹扩展行为预测方法进行系统深入地研究具有重要的理论价值和现实的工程意义。 本文采取试验与理论预测相结合的研究方法,进行大量的疲劳裂纹扩展试验,并根据目前多轴疲劳损伤准则的新成果,对Ⅰ-Ⅱ型复合加载疲劳裂纹扩展行为进行了定量准确预测。 针对16MnR钢不同厚度的缺口紧凑拉伸试样,进行了Ⅰ型常幅加载和过载的疲劳裂纹扩展试验;采用半幅降载勾线法,获取Ⅰ型加载三种厚度试样的裂纹扩展形貌。结果表明:Ⅰ型常幅加载的裂纹扩展形貌可用椭圆方程合理描述,具有“隧道效应”(crack tunneling)的特征;沿着试样厚度方向上,中心层裂纹前沿的疲劳裂纹启裂寿命比表面层裂纹前沿的更短;在稳定裂纹扩展阶段,裂纹以很相似的椭圆形裂纹形貌向前扩展,中心层裂纹前沿(平面应变状态)的裂纹扩展速率与表面层裂纹前沿(平面应力状态)的接近相等。过载时,裂纹扩展速率产生延迟现象,经历了滞后延迟和延迟两个阶段。对薄试样,过载延迟区裂纹扩展形貌与稳定裂纹扩展形貌基本一致;对厚试样,过载延迟区裂纹扩展形貌表现为“Ω”形状,这与椭圆形状的稳定裂纹扩展形貌有较大差异。基于有限元分析与多轴疲劳损伤概念,合理解释Ⅰ型常幅加载裂纹启裂三维特性及裂纹扩展形貌演化规律。 针对16MnR钢不同厚度的缺口紧凑拉剪试样,设计了Ⅰ-Ⅱ型复合分步加载的疲劳裂纹扩展试验。在裂纹扩展过程中,缺口紧凑拉剪试样始终经历Ⅰ-Ⅱ型复合加载,裂纹扩展路径不断发生改变。特别地,加载方向改变之后,处于疲劳残余损伤区(RDZ)的裂纹前沿受到先前加载步的影响,裂纹扩展路径发生了很大的转变,此时裂纹扩展速率存在较大延迟现象,并且裂纹扩展路径逐渐向外载荷垂线方向靠近或跨越。通过线弹性有限元应力分析,得出沿裂纹扩展路径方向上裂纹前沿的载荷复合比,合理解释Ⅰ-Ⅱ型复合分步加载裂纹扩展路径转变规律。 结合Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和Jiang多轴疲劳损伤准则,运用“基于连续累积损伤的裂纹启裂和裂纹扩展统一预测模型”,精确预测了16MnR钢Ⅰ-Ⅱ型复合分步加载疲劳裂纹扩展行为(疲劳裂纹扩展速率和裂纹扩展路径),并且准确预测了转变区内裂纹扩展方向的逐渐转变过程。Jiang-Sehitoglu循环塑性模型能够合理描述16MnR钢材料的弹塑性应力应变响应;基于精确的裂纹前沿应力应变场,Jiang多轴疲劳损伤准则准确评估了裂纹前沿附近的疲劳裂纹扩展损伤以及疲劳残余损伤;基于统一预测模型,精确预测了16MnR钢Ⅰ-Ⅱ型疲劳裂纹扩展行为,预测值与试验结果吻合较好。


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