裂纹尖端塑性区对金属材料疲劳行为的影响

本项研究利用Eshelby等效夹杂理论，将裂尖塑性区等效为有相变应变的均匀夹杂，这样裂纹与塑性区之间相互作用可用Hutchinson的裂纹与相变应变相互作用解获得。由此获得I、II型裂纹塑性校正的应力強度因子(The Plasticity-Corrected Stress Intensity Factor, PC-SIF)解析表达式。以PC-SIF 作为疲劳裂纹扩展的力学参量,成功地描述了不同载荷比、过载延迟效应、双轴疲劳中侧向应力的影响,以及压—压疲劳裂纹的扩展规律。这些都是疲劳领域长期研究但未能解决的关键问题, 在本项目的研究中均已取得重要进展, 相关研究成果在Acta Materialia、 Int J Fatigue等国际学术刊物发表7篇SCI论文。

裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展特性有重大的影响。在以往的研究中,人们试图将塑性区作为力学参量引入疲劳裂纹扩展判据，但由于未能解决如何计算裂尖塑性区对应力强度因子的影响问题,疲劳裂纹扩展中许多基本特征至今尚未得到合理阐述。本项研究旨在解决这些长期关注的基础问题：用我们已建立的考虑裂纹尖端塑性区影响的应力强度因子公式，计算交变载荷作用时的有效应力强度因子幅值,代替Paris公式中按完全线弹性计算的应力强度因子幅值,使应力幅、平均应力、加载顺序、过卸载方式、循环比、闭合效应、T应力等对疲劳裂纹扩展特性有重要影响的参数，能用单一参量予以表征,从而为不同载荷条件下的疲劳裂纹速率计算提供统一的方法。本项目是在完全自主创新的学术思想指导下进行,符合疲劳裂纹尖端不可避免地存在塑性变形区的客观情况，能处理现有理论无法解决的问题，因而能从物理本质上更深入广泛地揭示疲劳裂纹扩展规律。

裂纹扩展时其尖端张开的位移，记为δ。δ的临界值δc也是表征材料断裂韧性的一个判据。

相应于裂纹尖端位于焊接接头焊缝金属中的COD值用符号δW表示；相应于裂纹尖端位于熔合区的COD值用符号δF表示；相应于裂纹尖端位于热影响区的COD值用符号δH表示；相应于裂纹尖端位于不受焊接热循环作用的基材中的COD 值用符号δB表示。2100433B

裂纹尖端张开位移, 其英文名称C rack T ipO pen ing D isplacem en t的首字母缩写为CTOD,是指裂纹体受张开型载荷后原始裂纹尖端处所张开的两表面的相对距离。尽管这一

定义并不十分严格, 但因其可以直接观察测量,工程中较为实用, 国内外有关标准大都采用这一定义。

CTOD 值反映了裂纹尖端的材料抵抗开裂的能力。带有预制裂纹的试样在加载时, 裂纹尖端处有一个张开位移C TO D值。CTOD 值越大, 表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好, 即韧性越好; 反之, CTOD 值越小, 抗开裂性能越差, 即韧性越差。CTOD 能较准确地评价材料韧性。

焊接接头是非均质体, 其中存在由于焊接热过程、化学冶金过程、熔池凝固和相变过程等所造成的显微组织、物理化学性能及力学性能的不连续性和不均匀性。而CTOD 能够直接反映裂纹尖端所在处材料组织的韧性, 因此, 如欲评价焊接接头某个区域乃至某点的韧性, 只需设法让裂纹尖端落在试样上的目标区就可以了。更具体说, 欲评价焊缝中心材料的韧性, 就把裂纹尖端开在焊缝中心; 要评价热影响区中某种组织特征区(如熔合区即粗晶区)材料的韧性, 就将裂纹尖端开在该区域即可。应用现代试验机(如M T S 和Inst ron)中柔度法监测裂纹长度的技术, 可以将裂纹尖端位置离目标区的距离误差控制在0. 1mm 以内。应当指出, 过去研究焊接热影响区, 往往偏重于焊接接头常规的力学性能试验。由于热影响区的部位比较狭窄, 而且在热影响区中又可区分为组织特征极不相同的许多更小的区域, 因此, 准确地测出每个小区域的性能几乎是不可能的, 只能是焊接热影响区整体性能的反映[6 ]。而用CTOD 试验可以获得热影响区中各个小区的断裂韧性, 因而更具优越性。

另外, CTOD 可以解释断裂的开裂及止裂机制, 它能够反映残余应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响等等, 并且还能应用弹塑性断裂力学理论进行更深入的研究。

对于恒定载荷，

对于Griffith裂纹：