16MnR钢疲劳裂纹扩展形貌和扩展路径的试验与数值模拟

1、16MnR钢疲劳裂纹扩展形貌和扩展路径的试验与数值模拟在石油化工、动力、航空航天等领域中 , 大量压力容器与各类承压设备 都是在复杂的多轴循环载荷下工作 , 容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展 , 进而导 致灾难性的破坏。因此 , 对疲劳裂纹扩展规律以及裂纹扩展行为预测方法进行系 统深入地研究具有重要的理论价值和现实的工程意义。本文采取试验与理论预 测相结合的研究方法 , 进行大量的疲劳裂纹扩展试验 ,并根据目前多轴疲劳损伤 准则的新成果 , 对- 型复合加载疲劳裂纹扩展行为进行了定量准确预测。针 对 16MnR钢不同厚度的缺口紧凑拉伸试样 , 进行了型常幅加载和过载的疲劳裂 纹扩展试验 ; 采用

2、半幅降载勾线法 ,获取型加载三种厚度试样的裂纹扩展形 貌。结果表明 : 型常幅加载的裂纹扩展形貌可用椭圆方程合理描述 , 具有“隧 道效应” (crack tunneling) 的特征 ; 沿着试样厚度方向上 , 中心层裂纹前沿的疲 劳裂纹启裂寿命比表面层裂纹前沿的更短 ; 在稳定裂纹扩展阶段 , 裂纹以很相似 的椭圆形裂纹形貌向前扩展 ,中心层裂纹前沿 (平面应变状态 )的裂纹扩展速率与 表面层裂纹前沿 (平面应力状态 )的接近相等。过载时 , 裂纹扩展速率产生延迟现 象,经历了滞后延迟和延迟两个阶段。对薄试样 , 过载延迟区裂纹扩展形貌与稳 定裂纹扩展形貌基本一致 ;对厚试样 ,过载延迟区

3、裂纹扩展形貌表现为“”形 状, 这与椭圆形状的稳定裂纹扩展形貌有较大差异。基于有限元分析与多轴疲劳 损伤概念 , 合理解释型常幅加载裂纹启裂三维特性及裂纹扩展形貌演化规律。 针对 16MnR钢不同厚度的缺口紧凑拉剪试样 , 设计了 - 型复合分步加载的疲 劳裂纹扩展试验。在裂纹扩展过程中 , 缺口紧凑拉剪试样始终经历 -型复合 加载, 裂纹扩展路径不断发生改变。特别地 ,加载方向改变之后 ,处于疲劳残余损 伤区(RDZ)的裂纹前沿受到先前加载步的影响 , 裂纹扩展路径发生了很大的转变 , 此时裂纹扩展速率存在较大延迟现象 , 并且裂纹扩展路径逐渐向外载荷垂线方向 靠近或跨越。通过线弹性有限元应

4、力分析 , 得出沿裂纹扩展路径方向上裂纹前沿 的载荷复合比 ,合理解释 - 型复合分步加载裂纹扩展路径转变规律。结合 Jiang-Sehitoglu 循环塑性模型和 Jiang 多轴疲劳损伤准则 , 运用“基于连续累 积损伤的裂纹启裂和裂纹扩展统一预测模型” , 精确预测了 16MnR钢- 型复 合分步加载疲劳裂纹扩展行为 ( 疲劳裂纹扩展速率和裂纹扩展路径 ), 并且准确预 测了转变区内裂纹扩展方向的逐渐转变过程。 Jiang-Sehitoglu 循环塑性模型 能够合理描述 16MnR钢材料的弹塑性应力应变响应 ; 基于精确的裂纹前沿应力应 变场 ,Jiang 多轴疲劳损伤准则准确评估了裂纹

5、前沿附近的疲劳裂纹扩展损伤以 及疲劳残余损伤 ;基于统一预测模型 , 精确预测了 16MnR钢 - 型疲劳裂纹扩展 行为, 预测值与试验结果吻合较好。同主题文章1 .卢海星,路晓波, 韩保红. 位移不连续法在裂纹扩展仿真中的应用 ' J. 军械工程学院学报 . 2004.(06)2 .赵诒枢 . 最大能量释放率断裂准则在 -和- - 复合型断裂中的 应用' J. 力学与实践 . 1985.(03)3 . 靳志和,余寿文. 考虑颈缩的裂纹扩展断裂准则 ' J. 应用力学学报 .1986.(02)4 . 周柏卓,聂景旭, 杨士杰,张晓霞. 韧性裂纹扩展的损伤力学描述 

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