預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料斷裂力學(xué)性能“鍛煉”效應(yīng)的影響

張嘯塵， 謝里陽,*， 張瑞金， 孟維迎， 李銘， 胡杰鑫

1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所， 沈陽 1108192.東北大學(xué) 航空動(dòng)力學(xué)裝備振動(dòng)及控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110819

預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料斷裂力學(xué)性能“鍛煉”效應(yīng)的影響

張嘯塵1, 2， 謝里陽1, 2,*， 張瑞金1, 2， 孟維迎1, 2， 李銘1, 2， 胡杰鑫1, 2

1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所， 沈陽 1108192.東北大學(xué) 航空動(dòng)力學(xué)裝備振動(dòng)及控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110819

對(duì)服役多年的高速列車用7N01鋁合金材料進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，其對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的關(guān)系呈折線形式。與未服役材料對(duì)比，在裂紋擴(kuò)展初期階段，裂紋擴(kuò)展速率降低。選取兩種原始鋁合金材料進(jìn)行107次預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，研究低于疲勞極限的預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料斷裂力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用的材料，其da/dN與ΔK的關(guān)系曲線在裂紋擴(kuò)展初期(對(duì)應(yīng)于低應(yīng)力強(qiáng)度因子階段)均出現(xiàn)折轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析表明：預(yù)循環(huán)應(yīng)力的作用使得材料的斷裂力學(xué)性能有所提高，預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率； 預(yù)循環(huán)應(yīng)力； 服役材料； 斷裂力學(xué)性能； “鍛煉”效應(yīng)

疲勞裂紋擴(kuò)展過程是一個(gè)多因素共同作用的過程。影響裂紋擴(kuò)展的因素既包括外部因素如溫度、加載頻率、應(yīng)力比和腐蝕環(huán)境等，也包括內(nèi)部因素，如材料成分、組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷等。由于各種因素的作用，材料在服役過程中，高應(yīng)力區(qū)域易出現(xiàn)微觀裂紋，微裂紋串接匯合并擴(kuò)展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致構(gòu)件的失效[1-3]。保證裂紋及其擴(kuò)展速率在安全容許的范圍之內(nèi)，使構(gòu)件在使用期內(nèi)不發(fā)生失效，是損傷容限設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。斷裂力學(xué)在疲勞設(shè)計(jì)及分析中的應(yīng)用，需要研究材料的疲勞裂紋在不同狀態(tài)下的擴(kuò)展行為規(guī)律，并在構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中采用損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[4-6]。

關(guān)于影響材料疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞性能的因素，已有大量研究。穆志韜等[7]提出了不同腐蝕年限下的裂紋擴(kuò)展速率與裂紋長(zhǎng)度的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并指出關(guān)系曲線的斜率值受腐蝕損傷和疲勞載荷兩個(gè)因素的影響。李旭東等[8]在此基礎(chǔ)上建立了腐蝕疲勞不同加載頻率對(duì)鋁合金材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響模型。Mann[9]提出了平均應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響模型，并證明其適用性。Okayasu等[10]通過試驗(yàn)和微觀組織分析證明在無腐蝕作用的環(huán)境中，由于自然時(shí)效，材料的機(jī)械性能在規(guī)定年限內(nèi)有所提高。目前，在眾多研究中，還未見有學(xué)者進(jìn)行預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響的相關(guān)試驗(yàn)研究。

對(duì)于服役多年材料，使用中也會(huì)因疲勞、腐蝕等原因產(chǎn)生裂紋。這些裂紋在服役過程中會(huì)不斷增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的斷裂。另一方面，適當(dāng)?shù)难h(huán)載荷對(duì)材料有“鍛煉”效應(yīng)，能提高材料的疲勞性能。所謂低載“鍛煉”效應(yīng)，是指材料在疲勞極限下進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)會(huì)使原有疲勞極限值提高[11]。早在1924年，英國(guó)學(xué)者Gough[12]首次提出低載循環(huán)作用會(huì)提高材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。隨后Nisitani[13]和Ishihara[14]等從非擴(kuò)展裂紋角度出發(fā)，通過大量試驗(yàn)，研究了不同材料、加工工藝以及環(huán)境等因素對(duì)低載“鍛煉”效應(yīng)的影響規(guī)律。國(guó)內(nèi)學(xué)者吳志學(xué)等[15]研究了“鍛煉”效應(yīng)與應(yīng)力水平的關(guān)系，提出存在影響材料“鍛煉”現(xiàn)象的臨界載荷值，當(dāng)后期載荷大于臨界值時(shí)，“鍛煉”效應(yīng)消失。鄭松林[16]提出使用載荷譜中，大量低載對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用并總結(jié)車輛結(jié)構(gòu)件的低載強(qiáng)化特性。這些研究均以低載循環(huán)對(duì)材料疲勞性能的改變?yōu)榛A(chǔ)，并未考慮低載預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料斷裂力學(xué)性能的影響。

本文對(duì)服役多年材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究發(fā)現(xiàn)，服役多年材料在低應(yīng)力強(qiáng)度因子區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯降低。為了解釋這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和機(jī)理，探討提高材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的途徑和方法，通過對(duì)材料施加預(yù)循環(huán)應(yīng)力，研究其對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律。

1 服役材料斷裂力學(xué)性能

采用具有7年(2007—2013年)服役經(jīng)歷的高速列車車體枕梁部位型材作為研究對(duì)象，枕梁承受車體施加的載荷。型材表面經(jīng)噴漆防腐處理后，裸露在車體外部，直接與外部環(huán)境接觸。在長(zhǎng)期的服役過程中，經(jīng)歷不同區(qū)域、季節(jié)更替等復(fù)雜的服役環(huán)境，經(jīng)受腐蝕、潮濕、溫度變化及受載等交替作用影響。

將車體枕梁部位7N01鋁合金型材(以下簡(jiǎn)稱服役材料)和未經(jīng)歷服役的7N01鋁合金原始材料(以下簡(jiǎn)稱未服役材料)造成標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣，進(jìn)行恒幅載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，研究材料經(jīng)歷服役后疲勞裂紋擴(kuò)展行為的變化。根據(jù)車體枕梁部位型材尺寸設(shè)計(jì)試驗(yàn)試樣，加工過程嚴(yán)格遵守GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》對(duì)試樣加工工藝的相關(guān)規(guī)定，試樣形式能較好地模擬工程中實(shí)際受力狀態(tài)，試樣取樣方向?yàn)樵嚇娱L(zhǎng)度方向垂直于型材縱長(zhǎng)方向，試樣詳細(xì)尺寸如圖1所示。7N01鋁合金的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

圖1 試樣尺寸圖Fig.1 Dimensional drawing of specimens

表1 7N01鋁合金的化學(xué)成分含量Table 1 Chemical compositions of 7N01 aluminum alloy wt%

表2 7N01鋁合金力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 7N01 aluminum alloy

試驗(yàn)在Instron8800型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用COD規(guī)(夾式引伸計(jì))對(duì)裂紋尖端進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量并記錄整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程。采用正弦波加載方式，試驗(yàn)過程中始終保持恒定載荷范圍ΔP，恒應(yīng)力比R=0.1，試驗(yàn)頻率為10 Hz。在試樣完全斷裂前，終止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，完成試驗(yàn)。裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的計(jì)算方法采用GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》中推薦的七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式方法，擬合測(cè)得的裂紋長(zhǎng)度和加載循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而求導(dǎo)得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

采用Paris公式描述裂紋擴(kuò)展階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN和應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的關(guān)系曲線[17]，其表達(dá)式為

da/dN=C(ΔK)m

(1)

式中：a為裂紋長(zhǎng)度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；C和m為材料常數(shù)。

對(duì)于SE(B)試樣，其應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的表達(dá)式為

(2)

式中：B為試樣厚度；W為試樣寬度；ΔP為載荷；α為裂紋長(zhǎng)度與試樣寬度的比值，即α=a/W；且

F(α)=1.99-α(1-α)(2.15-3.93α+2.7α2)

(3)

將式(1)兩邊分別取對(duì)數(shù)，有

lg(da/dN)=lgC+mlg ΔK

(4)

由式(4)可見，裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下呈線性關(guān)系，其中斜率為m，截距為lgC。

圖2為服役與未服役材料裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK關(guān)系曲線對(duì)比圖。由圖可見，服役材料在應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=8.75 MPa·m1/2時(shí)，前后兩段關(guān)系曲線明顯呈折線。前段曲線的裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子更敏感。未服役材料擬合曲線的折線現(xiàn)象并不明顯，整條曲線近似呈線性關(guān)系，Paris公式能夠較好地描述其疲勞裂紋擴(kuò)展行為。前段曲線對(duì)比中，服役材料的裂紋擴(kuò)展速率較低，后段曲線對(duì)比中，服役材料的裂紋擴(kuò)展速率與沒有服役經(jīng)歷材料的裂紋擴(kuò)展速率接近。

鑒于其折線特征，將服役材料與未服役材料的da/dN-ΔK關(guān)系曲線以應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=8.75 MPa·m1/2為界限分為兩段進(jìn)行擬合并給出量化對(duì)比。表3為服役前后材料分段擬合出的材料常數(shù)lgC和m值。曲線1中，服役前后材料的lgC和m值相差均較大，在此范圍內(nèi)，服役材料的裂紋擴(kuò)展速率低于未服役材料。曲線2中，服役材料的裂紋擴(kuò)展速率同未服役材料相差不多。由此可知，服役多年對(duì)材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響主要體現(xiàn)在疲勞裂紋初期擴(kuò)展階段。

圖2 服役與未服役材料da/dN-ΔK關(guān)系曲線對(duì)比圖Fig.2 Comparison of da/dN-ΔK curves from service and un-service materials

表3 Paris公式分段擬合參數(shù)Table 3 Piecewise fitting parameters of Paris formula

MaterialsPiecewisefitting(Curve1)Piecewisefitting(Curve2)lgCmlgCmService-20．7760917．932735．932082．25215Un?service-8．510194．889626．799082．99865

2 預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為

如上文所述，經(jīng)歷多年服役后，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為發(fā)生改變，即在穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段發(fā)生折線現(xiàn)象。試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，在疲勞裂紋擴(kuò)展前期，裂紋擴(kuò)展速率降低，材料斷裂力學(xué)性能提高。促使這一現(xiàn)象產(chǎn)生的因素有很多，如服役過程中經(jīng)歷腐蝕、潮濕、溫度變化等復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)受到不同循環(huán)載荷的作用也是重要的影響因素之一。因此，本文考慮預(yù)循環(huán)應(yīng)力的影響，研究受不同水平的預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后，疲勞裂紋擴(kuò)展行為的變化規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)方案

對(duì)預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究同樣選取7N01鋁合金材料，材料為兩種，由不同廠家生產(chǎn)，材料編號(hào)分別為SFE01和IAAM。首先截取母材尺寸為200 mm×50 mm×10 mm的寬板進(jìn)行疲勞極限下的預(yù)循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)。將預(yù)循環(huán)疲勞后的材料加工成標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)操作方法及試樣加工過程嚴(yán)格遵守GB/T 24176—2009《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》與GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定。疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)設(shè)計(jì)試樣尺寸如圖1所示。兩種材料的化學(xué)成分如表4所示，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4 兩種材料的化學(xué)成分含量Table 4 Chemical compositions of two kinds of materials wt%

表5 兩種材料的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of two kinds of materials

2.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

使用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞極限試驗(yàn)測(cè)試，兩種材料的疲勞極限值分別為130.6 MPa和159 MPa。截取7N01鋁合金母材進(jìn)行疲勞極限下不同預(yù)循環(huán)應(yīng)力的疲勞試驗(yàn)，SFE01材料試驗(yàn)按預(yù)循環(huán)應(yīng)力σ=40，70，100 MPa劃分為3組，IAAM材料試驗(yàn)按預(yù)循環(huán)應(yīng)力σ=60，120 MPa劃分為2組，每組試樣數(shù)量為2個(gè)，循環(huán)方式為脈動(dòng)循環(huán)，應(yīng)力比R=0，預(yù)循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)條件及結(jié)果如表6所示。將經(jīng)歷預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用的7N01鋁合金材料進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)過程、試驗(yàn)條件以及裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的測(cè)量計(jì)算方法與上文服役與未服役材料的試驗(yàn)方法一致。

表6 預(yù)循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)條件及結(jié)果Table 6 Conditions and results of fatigue test by prior cycling stress

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展行為分析

圖3 兩種材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Test data comparison of fatigue crack growth rate of two kinds of materials

在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下對(duì)不同預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用的試樣進(jìn)行恒幅載荷疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)。圖3 為兩種鋁合金材料裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的關(guān)系曲線。由圖所示，裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的增大而增大，且隨預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大，裂紋擴(kuò)展速率da/dN提高。整體曲線中，未經(jīng)受預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用試樣的裂紋擴(kuò)展速率均高于預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后試樣。其中，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK較小時(shí)，預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率da/dN的影響較為明顯，與服役多年材料相似，關(guān)系曲線出現(xiàn)折線現(xiàn)象。

以SFE01材料為例，應(yīng)用式(4)，對(duì)不同預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到理論裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的關(guān)系曲線。

圖4 SFE01材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展初期da/dN-ΔK關(guān)系曲線Fig.4 da/dN-ΔK curves of initial stage in stable crack propagation for materials SFE01

圖4為SFE01材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展初期da/dN-ΔK關(guān)系曲線，實(shí)線為最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的Paris曲線，即材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段的理論結(jié)果。由圖可見，原始材料(即處于初始狀態(tài)的材料)試樣的理論結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，Paris公式能較好地描述材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。由于預(yù)循環(huán)應(yīng)力的影響，在ΔK較小時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)折線現(xiàn)象，這部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)不能與理論結(jié)果相吻合。因此，對(duì)于預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)分階段進(jìn)行擬合。

通過兩種材料的da/dN-ΔK關(guān)系曲線確定發(fā)生折線現(xiàn)象的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的ΔK值，原始材料試樣的分段擬合點(diǎn)取預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的均值。

表7給出了兩種材料Paris公式分段擬合參數(shù)結(jié)果，由表7可知，原始材料試樣分段擬合前后差距并不顯著，整體數(shù)據(jù)呈線性關(guān)系，而在預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下，分段擬合前后Paris曲線的斜率m值明顯增大，截距l(xiāng)gC值減小，即在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后不同范圍的應(yīng)力強(qiáng)度因子區(qū)域，擬合曲線發(fā)生了折線現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ΔK值隨給定預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大而減小。表8給出轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，由表8可知，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的長(zhǎng)度均低于5.5 mm，材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為折線現(xiàn)象中轉(zhuǎn)折處的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度隨給定預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大而減小。與經(jīng)歷多年服役的材料相似，預(yù)循環(huán)應(yīng)力同樣使材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為發(fā)生了折線現(xiàn)象，折線主要體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展初期階段。

服役多年材料和經(jīng)受預(yù)循環(huán)應(yīng)力加載材料的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果表明，二者均在裂紋擴(kuò)展初期階段發(fā)生了折線現(xiàn)象，服役材料擬合曲線的折線現(xiàn)象更為明顯，形成了兩條斜率明顯不同的曲線。由于材料服役過程中受到不同載荷作用及復(fù)雜環(huán)境影響，導(dǎo)致材料內(nèi)部組織產(chǎn)生微小的分布式裂紋，這些分布式裂紋會(huì)消耗部分主裂紋擴(kuò)展能量，降低穩(wěn)態(tài)初期裂紋擴(kuò)展速率，從而影響裂紋擴(kuò)展行為，隨著裂紋不斷擴(kuò)展，分布式裂紋對(duì)主裂紋擴(kuò)展的影響逐漸降低，此時(shí)服役材料的裂紋擴(kuò)展行為與未服役材料相似，即多年服役經(jīng)歷對(duì)材料裂紋擴(kuò)展行為的影響主要體現(xiàn)在初期裂紋擴(kuò)展階段。預(yù)循環(huán)應(yīng)力使得材料穩(wěn)態(tài)階段裂紋擴(kuò)展速率整體降低，文獻(xiàn)[18]指出，低于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力作用使材料微觀組織密實(shí)、均勻，其有效地延緩了疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，使得材料性能得到提升。材料微觀組織的改變主要影響穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展初期階段，當(dāng)裂紋不斷擴(kuò)展，微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響隨之減小。此外，材料在復(fù)雜服役環(huán)境或預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用過程中，很有可能產(chǎn)生局部殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力誘發(fā)裂紋閉合。閉合度越高，裂紋擴(kuò)展有效驅(qū)動(dòng)力越低，從而降低穩(wěn)態(tài)階段裂紋擴(kuò)展速率。

表7 兩種材料Paris公式分段擬合參數(shù)Table 7 Piecewise fitting parameters of Paris formula of two kinds of materials

表8 轉(zhuǎn)折點(diǎn)處穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度Table 8 Stable crack growth length at turning points

2.4 預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的材料“鍛煉”效應(yīng)

已有研究表明，在疲勞極限應(yīng)力之下，一定次數(shù)的循環(huán)載荷能對(duì)材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)，使得材料的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命均得到提高，即產(chǎn)生低載強(qiáng)化作用[18]。“鍛煉”效應(yīng)與預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平有關(guān)，不同大小的預(yù)循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)的效果也不同。通常認(rèn)為存在一個(gè)使材料強(qiáng)化作用達(dá)到最佳效果的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值，偏離最佳預(yù)循環(huán)應(yīng)力，材料的“鍛煉”效果也隨之逐漸減小直至消失，文獻(xiàn)[19]中，趙禮輝等給出了在低于疲勞極限的載荷強(qiáng)化作用下，強(qiáng)化載荷與疲勞壽命及強(qiáng)化次數(shù)的關(guān)系圖譜。

本文所研究的預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律與此類似。當(dāng)經(jīng)受疲勞極限下的循環(huán)應(yīng)力后，穩(wěn)態(tài)階段裂紋擴(kuò)展速率均低于原始材料，材料斷裂力學(xué)性能整體提高，預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用對(duì)材料斷裂力學(xué)性能同樣存在“鍛煉”效應(yīng)。

文獻(xiàn)[13]指出，低于疲勞極限載荷的循環(huán)作用引起材料硬化和應(yīng)變時(shí)效，這種強(qiáng)化作用導(dǎo)致材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)。本文試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料的斷裂力學(xué)性能同樣具有強(qiáng)化作用，產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)。“鍛煉”效應(yīng)對(duì)不同裂紋擴(kuò)展階段的影響程度也不同，其對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響主要體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展初期階段。所試驗(yàn)的兩種材料的裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系曲線均在此階段發(fā)生了不同程度的折線現(xiàn)象，對(duì)于本文給定的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值，應(yīng)力越小，材料“鍛煉”效應(yīng)越顯著。

下面應(yīng)用Paris公式對(duì)預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行計(jì)算。三點(diǎn)彎曲裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中，裂紋開裂形式為I型裂紋，應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK表達(dá)式為

(5)

式中：Δσ為應(yīng)力范圍；a為裂紋長(zhǎng)度；Y為裂紋形狀因子。

對(duì)于試驗(yàn)所采用的SE(B)試樣，其應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的計(jì)算公式如式(2)和式(3)所示。

將Paris公式積分，可得到疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算公式為

(6)

式中：NP為疲勞裂紋擴(kuò)展壽命；a0為試樣切口長(zhǎng)度與預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度的和；ac為試樣斷裂時(shí)的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，即穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段的起始和最終裂紋長(zhǎng)度。

圖5給出了兩種材料疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算結(jié)果，由圖5可知，由于預(yù)循環(huán)應(yīng)力的影響，材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)，裂紋擴(kuò)展速率降低，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命提高，且疲勞裂紋擴(kuò)展壽命值隨本文選用的預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平的增大而減小。詳細(xì)分析“鍛煉”效應(yīng)產(chǎn)生的原因和清晰工程實(shí)際中材料的損傷機(jī)理，對(duì)提高構(gòu)件的耐久性和可靠性有著重要的意義[20]。

圖5 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算結(jié)果Fig.5 Predictions of fatigue crack growth life

材料的“鍛煉”效果與預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平有關(guān)，隨選用預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的降低而更加明顯，說明對(duì)于不同材料，存在一個(gè)最佳預(yù)循環(huán)應(yīng)力值使“鍛煉”效應(yīng)達(dá)到最佳效果，不同的預(yù)循環(huán)應(yīng)力比和預(yù)循環(huán)次數(shù)對(duì)材料的“鍛煉”效果也產(chǎn)生不同的作用。關(guān)于最佳“鍛煉”效果的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值和預(yù)循環(huán)加載條件，有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3 結(jié) 論

1) 經(jīng)歷多年服役的高速列車用7N01鋁合金材料da/dN-ΔK關(guān)系曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)折線現(xiàn)象。前段的裂紋擴(kuò)展速率低于未服役材料的，但對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子敏感，呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，后段與未服役材料的裂紋擴(kuò)展速率接近。

2) 預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用使得材料穩(wěn)態(tài)階段的裂紋擴(kuò)展速率整體低于原始材料的，裂紋擴(kuò)展速率隨給定預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大而提高。與服役多年材料相似，其da/dN-ΔK關(guān)系曲線在裂紋擴(kuò)展初期同樣出現(xiàn)折線現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ΔK值及裂紋長(zhǎng)度a隨預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平的提高而減小。

3) 預(yù)循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致材料斷裂力學(xué)性能產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)，“鍛煉”效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響主要體現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展初始階段。

4) “鍛煉”效應(yīng)提高了材料疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力循環(huán)可提高材料的斷裂力學(xué)性能。分析“鍛煉”效應(yīng)產(chǎn)生的原因及確定不同材料最佳“鍛煉”效果的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值和預(yù)循環(huán)加載條件，對(duì)提高構(gòu)件的耐久性和可靠性有著重要的意義。

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張嘯塵男，博士。主要研究方向：機(jī)械疲勞強(qiáng)度與材料斷裂力學(xué)性能。

Tel.: 024-83678622

E-mail: zxc_neu@163.com

謝里陽男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 機(jī)械疲勞強(qiáng)度與可靠性。

Tel.: 024-83673915

E-mail: lyxie@mail.neu.edu.cn

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151229.0844.002.html

‘Coaxingeffect’ofpriorcyclingstressonmaterialfracturemechanicsperformance

ZHANGXiaochen1, 2,XIELiyang1, 2,*,ZHANGRuijin1, 2,MENGWeiying1, 2,LIMing1, 2,HUJiexin1, 2

1.InstituteofModernDesignandAnalysis,SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China2.KeyLaboratoryofVibrationandControlofAero-propulsionSystems,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China

Thefatiguecrackgrowthratetestswerecarriedoutusingaluminumalloymaterialsservedinhigh-speedtrainforyears,andtherelationshipoffatiguecrackgrowthrateda/dNandthestressintensityfactorΔKwasshowninabrokenforminlogarithmiccoordinates.Comparedwiththenon-servicematerial,thecrackgrowthratedecreasesattheinitialstage.Aimingatthisphenomenon,thealuminumalloymaterialswereappliedheretoinvestigatethebehavioroffatiguecrackgrowthunder107priorcyclingstress.Theinfluenceofpriorcyclingstressunderfatiguelimitonthematerialfracturemechanicsperformancewasstudiedindetails.Theresultsshowthatthecurvesofda/dNvsΔKofpriorcyclingstressmaterialspresentabrokenforminthelowΔKperiod.Theregressionanalysesofthetestdataillustratethatthepriorcyclingstressplaysapositiveroleinthefractureperformance,andthepriorcyclingstresshas‘coaxingeffect’onthefatiguecrackofmaterials.

fatiguecrackgrowthrate;priorcyclingstress;servicematerials;fracturemechanicalproperties; ‘coaxingeffect’

2015-09-24；Revised2015-11-16；Accepted2015-12-14；Publishedonline2015-12-290844

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張嘯塵， 謝里陽， 張瑞金， 等．預(yù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)材料斷裂力學(xué)性能“鍛煉”效應(yīng)的影響J．航空學(xué)報(bào),2016,37(10):3074-3082.ZHANGXC,XIELY,ZHANGRJ,etal. ‘Coaxingeffect’ofpriorcyclingstressonmaterialfracturemechanicsperformanceJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(10):3074-3082.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0340

V252

A

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