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几种航天用材料疲劳裂纹扩展速率的定量估算研究

刘继锋  
【摘要】:产品因疲劳低应力破坏是造成构件失效的最普遍、最常见的形式之一。特别是航天、航空产品系统结构复杂、环境条件复杂,新技术、新材料应用比重大,单台产品投资高等特点,故个别结构的非正常低应力破坏往往造成灾难性的巨大损失。而在实践中大多数带缺陷的不易发现的构件是在疲劳载荷作用下裂纹不断扩展造成构件应力破坏的,因此对疲劳裂纹及扩展速率的研究具有巨大的现实意义。 在近几十年对疲劳裂纹的扩展的研究中,Paris和Zheng-hirt对金属材料疲劳裂纹扩展的研究给出了很好的扩展表达式,但都是对疲劳裂纹扩展部分过程的描述。对疲劳裂纹扩展的全过程的一般规律到目前为止还没有一个完整的、可量化的描述方式。 本文主要是通过在中、外大量文献对疲劳裂纹及扩展研究的基础上,从微观和宏观两个方面分析疲劳裂纹扩展的驱动力和阻力之间的矛盾运动规律,用量化参量理论分析和试验相结合的方法,描述出疲劳裂纹扩展的全过程的数学表达式。 在本课题研究中,完成了近几十年大量的中外文献的查阅和总结分析,且对疲劳裂纹扩展的驱动力和阻力参数进行了分析研究。给出了疲劳裂纹扩展的一般规律表达式,利用文献提供的有关数据和直接对有关材料进行研究,进一步对公式进行了验证。 通过研究,本文给出了疲劳裂纹及扩展全过程的数学表达式,得出了其完整疲劳裂纹扩展曲线是由近门槛值、局部稳定扩展区和快速扩展区所构成,曲线具有相似S形;裂纹扩展阻力主要是由材料弹性模量区、扩展门槛区△Kth和断裂韧性Kc主要控制,所有其它影响均通过这主要影响裂纹扩展速率。裂纹扩展速率表达式具有明确的物理意义。


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