金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学界的重要研究课题。本文总结了影响疲劳裂纹扩展的多种因素,综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型,以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的新进展(包括基于能量的和考虑概率的)。综合前述模型优缺点,提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS)。分析表明,新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好,并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线。最后,对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望。     

过载作用下聚乙烯疲劳裂纹扩展行为研究

论文针对中密度聚乙烯材料(MDPE)，采用平板试样进行了I型疲劳裂纹扩展和单次过载下裂纹扩展试验．发现与金属材料类似，单次拉伸过载对聚乙烯(PE)的疲劳裂纹扩展有明显的迟滞作用，降低了裂纹扩展速率．试验还通过变载荷刻线法获取疲劳裂纹扩展前缘的实际形貌和变化规律，对常规变载荷刻线方法进行了调整和验证，其修正方法对高分子材料的疲劳裂纹扩展前缘刻线具有较好的效果．通过观察发现含楔形塑性区的裂尖钝化是裂纹迟滞的主要原因．过载引入的塑性区内残余应力对裂纹迟滞也起了重要作用．论文利用Dugdale模型计算了塑性区尺寸，使用基于残余应力的Wheeler模型对过载迟滞进行了很好的拟合．     

燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一,显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程.因具有速率波动和扩展路径偏转等特点,小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性,从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全.本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题,首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律;其次,针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金,揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理;再次,对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结,且指出了各模型的优缺点;从次,重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境,综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型;最后,对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结,且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向.本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.     

疲劳裂纹随机扩展模型进展

本文分析了疲劳裂纹扩展具有分散性的主要来源，对疲劳裂纹随机扩展模型从唯象学的角度作了较为详细的分析和回顾．尽管疲劳裂纹随机扩展问题已有了很多的研究结果，但还有许多问题有待进一步的深入研究．     

一种镍基双晶材料疲劳裂纹扩展效应

对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行三点弯曲疲劳实验，研究了双晶材料的疲劳裂纹扩展规律，测定了双晶的疲劳扩展速率，揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应：当裂纹距晶界某一特定长度时，裂纹扩展速率最快；而裂纹顶端交于晶界时，裂纹扩展速率最侵．进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理：晶界附近不协调的塑性变形，导致了裂纹尖端应力场的重新分布．     

点焊接头疲劳寿命预测研究进展

概述点焊接头疲劳损伤理论与寿命预测方法的研究进展,分析点焊接头的疲劳强度影响因素和裂纹萌生扩展机理,对点焊接头疲劳寿命估算方法进行了对比,对寿命估算模型进行了评价,最后对点焊接头疲劳寿命预测研究的未来发展趋势提出了看法．     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

随机超载对疲劳裂纹扩展迟滞效应的模拟

考虑超载的迟滞效应,对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行了模拟计算．载荷谱为在基本恒幅循环载荷基础上加入一以泊松流发生的随机超载序列,超载的大小为均匀分布．采用裂纹闭合模型考虑超载的迟滞效应,认为裂纹张开应力在超载引起的塑性区内按线性规律衰减．循环续循环模拟计算出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线．据此,计算了各种超载发生强度和大小下的疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。     

基于多因素的焊接结构疲劳裂纹扩展速率分析

以Donahue等提出的疲劳裂纹扩展速率计算模型为基础,通过引入形状系数、张开比和残余应力等参数,建立了适用于焊接结构的疲劳裂纹扩展速率计算模型,分析了多种因素对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,焊板厚度和焊缝余高的变化均会对焊接结构疲劳裂纹的扩展速率产生影响,在对焊接结构表面形状进行设计时应保有一定的焊缝余高;有效应力比的增大会降低焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且裂纹深度的变化不会改变有效应力比对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响;残余应力的增大会提高焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且残余应力对疲劳裂纹扩展速率的促进作用随着裂纹深度的增加而增大,在对焊接结构的疲劳性能进行设计时须考虑残余应力对结构性能的影响。     

疲劳裂纹扩展分析的随机方法

本文介绍了近年发展起来的疲劳裂纹扩展分析的随机方法,即疲劳裂纹扩展随机模型建立方法和疲劳裂纹扩展统计分析方法。这一分析方法为金属构件疲劳裂纹扩展寿命及可靠性研究提供了有力的工具。      

STOCHASTIC MODELLING OF FATIGUE CRACK GROWTH UNDER CONSTANT AMPLITUDE LOADING

Two stochastic models of fatigue crack growth under constant amplitude cyclic loadingare proposed and studied by using the stochastic averaging method and total probability theorem to ac-count for high frequency component and low frequency component, respectively, of the irregular na-ture of fatigue crack growth observed in Virkler's experiment. Particular attention is paid to the predic-tion performance of the models under a change in the initial crack length. It is shown that the modelsproposed in the present paper yields better agreement with experimental data than other models avail-able in literature.     

STUDY ON THE SURFACE CRACK GROWTH BEHAVIOR IN 14MnNbq BRIDGE STEEL

Three-dimensional crack closure correction methods are investigated in this paper.The fatigue crack growth tests of surface cracks in 14MnNbq steel for bridge plate subjected to tensile and bending loadings are systematically conducted.The experimentally measured fatigue crack growth rates of surface cracks are compared with those of through-thickness cracks in detail.It is found that the crack growth rates of surface cracks are lower than those of through-thickness cracks.In order to correct their differences in fatigue crack growth rates, a dimensionless crack closure correction model is proposed.Although this correction model is determined only by the experimental data of surface cracks under tensile loading with a constant ratio R=0.05, it can correlate the surface crack growth rates with reasonable accuracy under tensile and bending loadings with various stress ratios ranging from 0 to 0.5.Furthermore, predictions of fatigue life and crack aspect ratio for surface cracks are discussed, and the predicted results are also compared with those obtained from other prediction approaches.Comparison results show that the proposed crack closure correction model gives better prediction of fatigue life than other models.     

New model of propagation rates of long crack due to structure fatigue

By comparison of the characteristics of existing models for long fatigue crack propagation rates, a new model, called the generalized passivation-lancet model for long fatigue crack propagation rates （GPLFCPR）, and a general formula for characterizing the process of crack growth rates are proposed based on the passivation-lancet theory. The GPLFCPR model overcomes disadvantages of the existing models and can describe the rules of the entire fatigue crack growth process from the cracking threshold to the critical fracturing point effectively with explicit physical meaning. It also reflects the influence of material characteristics, such as strength parameters, fracture parameters and heat treatment. Experimental results obtained by testing LZ50 steel, AlZnMgCu0.5, 0.5Cr0.5Mo0.25V steel, etc., show good consistency with the new model. The GPLFCPR model is valuable in theoretical research and practical applications.     

可靠性设计中的疲劳裂纹扩展随机模型

首先导出了疲劳裂纹扩展的确定性方程，然后将疲劳裂纹扩展确定性方程随机化，导出了疲劳裂纹随机扩展的概率公式，并推导了疲劳裂纹随机扩展的置信限公式，最后，给出了二种材料疲劳裂纹随机扩展数据的处理结果。     

基于随机点过程理论的疲劳裂纹随机扩展模型

本文根据疲劳裂纹扩展特性，运用随机点过程理论导出了求取裂纹扩展随机过程低阶矩的公式。同时根据二阶矩近似法用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布近似给定寿命下的疲劳纹长度分布。给出了求取给定寿命下裂纹超值概率分布和给定裂纹长度下疲劳寿命分布公式。最后，用小样本孔边短裂纹扩展数据对模型适用性进行了初步验证。     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。     

Fatigue cracking and its influence on dynamic response characteristics of spot welded specimens

X-ray imaging has been used to determine the fatigue crack growth behavior and failure mechanisms of spot welded specimens. Cracks critical to final failure of the tensileshear specimens studied are through-thickness plate cracks, which are usually initiated about 0.2–1.0 mm away from the edge of the nugget. In addition, frequency response functions (FRFs), obtained by impact hammer-accelerometer experiments throughout the fatigue process, show that the natural frequencies of these joints nonlinearly decrease with the growth of fatigue cracks. The three-dimensional finite-element analysis results for FRFs of uncracked and cracked spot welded joints are shown to be in good agreement with the experimental data. It is also shown that the fatigue cracks have different degrees of influence on different natural frequencies because of the location of cracks and vibrating modes. The results by both experiment and finite element analysis indicate that analysis of the variation of natural frequencies and vibrating modes may be used to study the fatigue crack propagating shape and the location of the fatigue crack.     

负超载对Al-2024疲劳裂纹扩展的影响

本文讨论了负超载对Al-2024铝合金材料疲劳裂纹扩展的影响,试验发现在大量负超载循环周次之后也有裂纹停滞现象发生。这种停滞现象的产生与剪切唇的形成有关。本文发现负超载期间的剪切唇(简称剪切唇Ⅰ)和负超载之后的剪切唇(简称剪切唇Ⅱ)对疲劳裂纹扩展速率影响的程度不同。从裂纹闭合的观点建立了负超载对疲劳裂纹扩展影响的计算模型。     

试验确定自增强圆筒的表面裂纹K1因子和疲劳扩展规律

本文提供了一种可以进行自增强处理的圆筒试样,通过实验用柔度法确定了该试样的表面裂纹的应力强度因子,介绍了含表面裂纹试样的柔度测试技术,导出了柔度与表面裂纹尖端前缘各点的应力强度因子的关系式,该式可作为各种含表面裂纹试样柔度法测表面裂纹 K_1因子的参考,本文还测定了不同自增强程度下,自增强圆筒的表面裂纹疲劳扩展规律。