基于电子显微断口分析法的疲劳裂纹扩展速度的估算

基于电子显微断口分析法的疲劳裂纹扩展速度的估算

一、交变载荷作用下的裂纹扩展速度事实证明，实际工程中使用的机械疲劳强度往往低于实际工作中获得的疲劳强度。如果安全因素不足，则会导致事故。有关这一问题,曾有研究报告指出:在通常情况下工程机械的载荷条件是受疲劳极限以下的交变过小应力作用,但往往在其间也作用着循环次数极少的过大应力(疲劳极限以上的应力)。在这样的载荷条件下,低于疲劳极限的过小应力将对疲劳断裂破坏产生明显的影响,其结果实际的使用寿命较线性累积损伤法则所估算的疲劳破坏寿命短得多。为了探讨裂纹扩展过程中的这种影响效果,小寺泽等曾进行了交变载荷作用下的疲劳裂纹扩展试验,并应用电子显微断口分析方法(electronfractography)研究了裂纹扩展速度及裂纹扩展机理。研究表明,当多循环次数(～106次)的过小应力和循环数极少(～2次)的过大应力交替反复循环作用时,过小应力对裂纹扩展产生明显的影响,与正常载荷作用下的情况相比,裂纹扩展速度竟增大约100倍以上,而且其裂纹扩展机理也不同。这一重要结果意味着,作为表征裂纹扩展的断裂力学主要特性值之一一疲劳界限应力强度因子kth仅适用于正常交变应力作用的场合,而在实际载荷(非正常载荷)作用下并不能保证kth以下的过小应力对裂纹扩展不产生影响。此外,小寺泽等一系列研究成果还表明,低强度材料裂纹扩展的加速效果更为明显;不产生明显加速的过小应力的极限值远比kth低,大致与设计应力值相同。在上述研究结果基础上,提出了任意交变应力作用条件下,即过大过小应力作用下的疲劳裂纹扩展速度的估算方法。本文就这一课题,使用S15C材料*,在二段多重交变应力试验的基础上,在更近于实际载荷的条件下,进行多段多重交变应力试验,进一步探讨裂纹扩展速度及其估算方法。二、疲劳特性的测定试验材料采用低碳钢S15C,其化学成分、热处理条件及机械性能分别如表1、表2所示。使用锐切口试件(60°V形环状切口,切口深1.5毫米,切口底部曲率半径为0.1毫米,形状系数α=5.2),其形状、尺寸如图1。实验在纯弯曲疲劳试验机上进行。首先,在试件上予制疲劳予裂纹。其条件是,交替作用σth(切口试件的疲劳极限,即与kth相对应的应力;本实验材料的σth=8公斤/毫米2)以下的过小应力σ1=5.9公斤/毫米2(循环次数n1=7.9×104)及σtb以上的过大应力σ2=23.6公斤/毫米2(循环次数n2=1.0×103),共作用6个载荷循环。然后,按图2所示的载荷条件进行二段多重交变载荷试验,即多循环次数、σth(kth)以下的过小应力σ1(一段)及循环次数极少的σth(ktb)以上的过大应力σ2(一段)交替反复作用,以此作为基础实验。在二段多重交变载荷作用的实验基础上,进行包括各种应力水平的多段多重交变载荷试验。经交变载荷试验后的试件,置于液氮中冷却、并将其冲击破断,再借助光学显微镜及扫描电子显微镜在断面上测得裂纹扩展量Δ1*,进而求得过大过小应力作用下的疲劳裂纹平均扩展速度。三、试验结果与讨论1.裂纹扩展特性rac二段多重交变载荷试验的结果如表3所示。为了便于比较,将以往实验所使用的CH10R材料的试验结果也列于表3中。其中△1/np为裂纹扩展量/加载循环次数;为(对称交变)单独作用下的裂纹扩展速度;裂纹扩展的加速率Rac是指,过大过小应力作用下裂纹的实际扩展量与正常交变应力作用下裂纹扩展量的比值**。由表3可知,裂纹扩展产生显著的加速,在某些载荷条件下达100倍以上。裂纹扩展的加速率与过大应力σ2的关系如图3所示。由该图可知,材料S15C的加速率大约是CH10R的三分之一,说明材料的抗拉强度σB(见图3右上角标注)愈小,其加速愈显著。2.关于裂纹扩展速度估算法的补充、修正方案在如图4所示那样不规则的过大过小变动应力条件下,设第i个过大应力的应力强度因子为k2i(循环次数为n2i),k2i的前一个过小应力区间的循环次数为n1i,其中任意一个过小应力的应力强度因子为k1j(循环次数为n1i);k2i后一个过小应力区间的循环次数为n1(i+1),其中任意一个过小应力的应力强度因子为k1k(循环次数为nik),且设其应力循环是对称交变形式*。小寺泽等以二段多重交变载荷试验所得的基础数据为依据,提出了如下多段多重交变载荷作用下的裂纹扩展速度估算式为了验证该计算方法的正确性,现使用S15C材料,按图5所示的各种加载形式进行多段多重交变载荷试验,此实验结果及以二段多重交变载荷试验为基础数据按(1)式计算所得的结果一并列于表4中。由表4可知,多段多重试验所求得的裂纹扩展的实际加速率Rac与由(1)式估算的加速率的比值在实验误差允许的2以内(除NO:14试件以外),故上述估算方法是基本满足实用要求的。然而,利用(1)式估算加速率时所出现的一个问题是,如图6过小应力循环次数和加速率的关系所示,当过小应力的循环次数约超过105之后,加速率关系曲线呈饱和水平直线状,故此时仍按(1)式线性关系计算105次以上的加速率是不妥的。为解决这一问题,采用图5中的加载形式Ⅲ,增加过小应力的循环次数至2.2×106次(即大于106次),以试件NO:21、22进行试验,其结果见表4。现来讨论裂纹扩展速度估算法的补充、修正方案。1.在图6中,分别延长加速率曲线的直线段(即加速率随过小应力循环次数增加的一段)与加速率饱和水平线,两延长线交于A点,设A点为加速率饱和点,与其对应的过小应力循环次数nA≈2.0×105,则计算加速率时分二部分进行:当过小应力加载循环中过小应力的循环次数n1j<nA时,将(1)式线性相加部分的n1j/n1i用n1i/nA代替进行)计算;当n1j>nA时,取加速率的饱和值(即设n1j/nA=1);然后将这二部分加速率相加。本法采用了过小应力循环次数n1=2.2×105时的基础数据,以表3中的加速率基础数据作为饱和加速率。这样计算的结果NO:21、22的。2.计算n1j<nA时的加速率时,即饱和点A以下的点、如图6中的任意点B的加速率,也可直接利用图线,方法是,取A点和B点的加速率的比值,然后将其乘以加速率的基础数据即可。这时的加速率基础数据为二段多重交变载荷试验中过小应力循环次数n1=2.2×106次时的加速率,可利用图6按比例进行计算,求得n1=2.2×106次时的加速率约为n1=2.2×105次时的1.3倍。至于n1j>nA时,仍按1法同样计算。本法计算所得的,其结果与1法所得结果几乎相同。就解决非线性饱和线部分的加速率估算方法提出了上述二种修正方案。此外,就(1)式而言,在计算过大应力的应力强度因子为K2i所引起的加速时,分别考虑了其前、后过小应力对加速所造成的影响,然后取其平均值。现如考虑这部分的加速仅受前一个过小应力区间的影响,则可使计算简化,即将(1)式简化为按(2)式计算所得的加速率值及的比值见表4。由该表可知,按(2)式计算的加速率与(1)式的计算结果几乎相同,故从简化计算这一点来看是可取的。四、疲劳裂纹扩展速度估算方法小寺泽等提出的有关过大过小应力作用下疲劳裂纹的扩展及扩展速度的估算方法,对工程机械的设计和使用提洪了有益的依据。本文就S15C材料的实验再次进行了探讨,进一步证实了其应用价值,并对疲劳裂纹扩展速度的估算方法作了若干补充修正,使其更具有普遍性。此外,从积