强度理论-疲劳裂纹扩展讲解.ppt

1,强度理论与方法（9,疲劳裂纹扩展,2,问题 有缺陷怎么办发现裂纹，能否继续 使用 剩余寿命如何控制检修,理论基础线弹性断裂力学1957,计算手段计算机迅速发展,实验手段高倍电镜、电液伺服 疲劳机，电火花切割机等,我们已经讨论过应力寿命方法和应变寿命方法，现在讨论用于疲劳裂纹扩展估计的断裂力学法,3,给定a， , da/dN ； 给定, a, da/dN,A 疲劳裂纹扩展速率,讨论张开型 I型 裂纹。 arp，LEFM力学可用,一. a N曲线,二、疲劳裂纹扩展控制参量,aN 曲线的斜率，就是裂纹扩展速率da/dN,注意,4,裂纹尖应力强度因子,是几何修正因子,5,裂纹只有在张开的情况下才能扩展， 故控制参量K定义为 KKmax-Kmin R0 KKmax R0,疲劳裂纹扩展速率da/dN的控制参量 是应力强度因子幅度 Kf,a，即 da/dNK,R,应力比 RKmin/Kmaxmin/max； 与K相比，R的影响是第二位的,6,三.疲劳裂纹扩展速率FCGR,Fatigue Crack Growth Rate,R0 时的da/dN-K 曲线，是基本曲线,实验 a a0 R0 const,7,1. da/dN-K曲线,低、中、高速率三个区域,微解理为主,微孔聚合为主,条纹为主,8,三种破坏形式,9,Paris公式 da/dNCKm,2. 裂纹扩展速率公式,K是疲劳裂纹扩展的主要控制参量； 疲劳裂纹扩展性能参数C、m由实验确定,3. 扩展速率参数C,m的确定,实验 a a0 R0,10,B 疲劳裂纹扩展寿命预测,1. 基本公式,11,da/dN用Paris公式表达时的裂纹扩展方程,对于无限大板，fconst.，在const.作用下，由Paris公式 da/dNCKm 积分有,12,3已知 a0, ac, 给定寿命Nc, 估算在使用工况R下所允许使用的最大应力Smax,2. Paris公式的应用,2已知载荷条件S，R, 给定寿命Nc, 确定ac及可允许的初始裂纹尺寸a0,13,解1. 边裂纹宽板K的表达式K1.12spa 1/2,例1边裂纹板a00.5mm, 载荷为 smax200Mpa。 R0, 材料参数sys630MPa, su670MPa, DKth5.5MPa, Kc104MPa, 裂纹扩展速率为 da/dN6.910-12DK3, 试估算其寿命,4. 临界裂纹长度ac 由断裂判据有 Kc1.12smaxpac 1/2； ac68mm,3. 长度为a0的初始裂纹是否扩展 DK1.12s pa 1/29MPaDKth5.5,2. DKKmax-Kmin1.12smax-smin1.12s,14,5. 估算裂纹扩展寿命 Nc 由裂纹扩展速率方程得Nc189500次循环,讨论1a0和Kc对疲劳裂纹扩展寿命的影响,控制a0，可大大提高疲劳裂纹扩展寿命。 高强脆性材料Kc低, ac、Nc小，扩展寿命可不计,15,若疲劳寿命完全由裂纹扩展所贡献，则S-N曲线可由da/dN-K关系获得且指数与Paris公式相同”。 对于含有缺陷或裂纹的焊、铸件，是特别真实的,讨论2da/dN-K曲线与S-N曲线之关系,此即S-N曲线,16,讨论3Miner理论用于裂纹扩展阶段,假设尺寸为a0的裂纹，在S1、S2、S3下 经 n1、n2、n3循环后，扩展到aL,在Si下从a0到aL的裂纹扩展 寿命为N1、N2、N3,17,此即Miner理论。若不计加载次序影响，Miner理论也可用于裂纹扩展阶段,若a00.5, aL30mm，每年载荷谱如表。 先算各Si下的裂纹扩展寿命Ni，再算ni/Ni,设寿命为年，则有 n/N1， 1/n/N2.6年,18,例2 中心裂纹宽板，作用应力max200MPa, min20MPa。Kc104MPa, 工作频率0.1Hz。 为保证安全，每1000小时进行一次无损检验。 试确定检查时所能允许的最大裂纹尺寸ai。 da/dN410-14K4 m/c,2. 检查期间的循环次数 N0.1360010003.6105 次,19,讨论若检查发现 ai6.2mm, 则不安全。 要继续使用，降低应力水平或缩短检查期,20,如检查时发现裂纹 ai10mm, 若不改变检查周期继续使用，则应满足,如缩短检修周期，同样可求得由ai10mm到 ac86mm的循环次数为 N213238 次， 检查期周为 TN/0.13600592 小时,21,3. 恒幅载荷下，裂纹扩展的数值计算方法,由Paris公式有da/dNCKmCma 已知a0，参数C、m，则疲劳裂纹扩展分析可按下述步骤进行,3 选取增量ai。如ai0.01ai-1； ai越小精度越高,22,5 如 Ki-Ki-1/Ki0.01, 满足精度，继续。 否则, 令 aiai/2, 返回4,重复3-6, 直到 aia0aiac 时，停止,由算得的（ai，Ni）数据，可作 a-N曲线， 且从ai扩展到ac的寿命为NcNi,23,断裂力学方法需要已知或假设一个初始裂纹尺寸。对于有缺陷（如焊接疏松、夹杂和铸造缺陷等）的构件，初始裂纹是可以知道的,换言之，对于无缺陷材料疲劳总寿命的估计，断裂力学方法可用于确定裂纹扩展。应变寿命或应力寿命方法则用于确定起始寿命，总寿命是这二者之和,24,C 影响疲劳裂纹扩展的若干因素,K是控制da/dN的最主要因素。 尽管平均应力、加载频率、环境等的影响较次要，但有时也不可忽略,同一材料, 由不同形状、尺寸的试件所得到的da/dN-K曲线相同,da/dN-K曲线可以描述疲劳裂纹扩展性能,25,1. 平均应力或应力比的影响,R0、R0影响趋势不同,26,R0的情况,27,低速率区，R，Kth,R0的情况负应力存在， 对da/dN三区域的影响不同。 情况比R0时复杂得多,有经验关系为 Kth K0th1-R Koth是R0时的基本门槛应力强度因子幅度。 参数、由实验确定。 图中钢材的下限为 Kth7.031-0.85R,28,an公式常用于预测应力比的影响。R增大，裂纹扩展速率增大，与试验观察是一致的,an公式只在R0时正确。一般认为与R0相比，R0对da/dN没有显著影响。这仍与材料有关，对有些材料，也有研究者在R0时得到较高da/dN,29,但是，在高温或腐蚀环境下，频率及波形对da/dN的影响显著增大，是不容忽视的,2. 加载频率的影响,30Cr2WmoV钢30万千瓦汽轮机高压转子钢频率影响实验,低速区加载频率对da/dN基 本无影响。 中速率区f，da/dN。有 da/dNCf KmA-BlgfKm,在室温、无腐蚀环境中，f0.1100Hz时, 对da/dN的影响可不考虑。循环波形影响是更次要的,30,腐蚀介质作用下，裂纹可在低于K1C时发生扩展。试件加载到K1，置于腐蚀介质中。记录裂纹开始扩展的时间tf,腐蚀疲劳是介质引起的腐蚀破坏过程 和应力引起的疲劳破坏过程的共同作用。 这二者的共同作用，比任何一种单独作用更有害,1） 应力腐蚀开裂 Stress corrosion cracking,3. 腐蚀环境对da/dN的影响,K1 K1scc，tf，约1000小时。 K1scc是应力腐蚀开裂门槛值。 K1K1scc不发生应力腐蚀开裂,31,da/dNCF与K的关系如图，可分为三类,2）腐蚀疲劳裂纹扩展速率 da/dtCF,加载频率越低，腐蚀过程越充分，da/dNCF越快,32,环境效应对疲劳裂纹扩展速率的影响很大。由于有大量的机械、冶金和化学因素及其相互作用，环境效应极其复杂,环境对疲劳裂纹扩展速率的影响强烈地依赖于材料与环境的组合。影响环境效应的一些附加因素是加载频率、温度、加载波形和应力比,33,一般地说，低频率时裂纹扩展速率增大，因为在疲劳过程中环境效应有更充分的时间作用,温度增加，通常使疲劳寿命降低。同时，高温下环境的影响更大，这有一部分是氧化作用所致,在空气中，一般观察不到波形对疲劳裂纹扩展速率的影响。但在腐蚀环境中，若载荷循环的拉伸部分作用慢， da/dN一般较高,34,D 疲劳裂纹扩展速率试验,目的测定材料的 da/dN-DK 曲线,实验 a a0 R0,35,二、试样,建议厚度W/20 B W/4,太厚 疲劳裂纹前缘舌型大，表面读取的尺寸与内部相差大。若用BW/2，常需作尺寸修正,36,三、试验方法,1.预制裂纹要求CT试样为例 切口尺寸 an0.2W 保证LEFM的K解可用 疲劳预裂 Daimax0.1B, h 避开切口对裂尖的影响,预裂载荷 R与试验相同； Kmax不大于开始试验时的K值。 保证裂纹足够尖锐，但所需时间长 若用较大的Kmax预裂，应按规定逐级降载,37,2. K增加试验法,da/dN-DK曲线一般分为三个区域。不同的区域，试验方法不同。 K增加试验法用于中高速率区,K随裂纹扩展的变化率,在恒幅载荷试验中，DPconst., 故有 dDK0, C0, 是K不断增加的试验方法,38,3. K减小试验法,K减小试验法用于低速率区,标准建议 C-0.08mm-1。由此可计算不同a时的DK、DP,39,小 结,1）若arp, 则线弹性断裂力学可用。 应力强度因子为 Kfa； 中心裂纹fa1.0；边裂纹f1.12,2）疲劳裂纹扩展速率的主要控制参量是K， 下限有Kth, 上限有1-RKc。 KKmax-Kminfa R0, min0 Kmax R0, min0 裂纹不扩展条件 K fa0 Kth 临界裂纹尺寸 KmaxKc ac1/Kc/fmax2,40,3）Paris公式 da/dNCKm 在恒幅循环载荷作用下，积分后有,4）初始裂纹尺寸a0对寿命影响很大，要控制a0,41,6）基本疲劳分析方法的比较,42,43,44