用光塑性方法确定工程构件的疲劳裂纹扩展荷载门槛值α.pdfVIP

第 14 卷　第 1 期 实　验　力　学 V o l. 14　N o. 1 1999 年 3 月 JOU RNAL O F EXPER IM EN TAL M ECHAN ICS M ar. 1999 　 用光塑性方法确定工程构件的 疲劳裂纹扩展荷载门槛值 沈　庆　蔡传国 (工程兵工程学院濒海工程技术研究所, 南京, 210007) 摘要　提出疲劳裂纹尖端塑性核半径门槛值R th 的概念及计算方法, R th 是材料性 质。在满足光塑性相似关系要求及模型与原型几何形状尺寸相同的前提下, 模型与原 型间的相似系数 为两种材料屈服极限之比。鉴于疲劳裂纹扩展的机理分析并不涉及 n 惯性力和冲击效应, 在偏光仪上测出模型裂纹尖端的塑性核尺寸达到原型材料的R th 时 所受的静载值, 乘以相似系数 n 即为工程构件原型的疲劳裂纹扩展荷载门槛值。 关键词　疲劳裂纹　裂纹扩展　门槛值　光塑性 1　前言 　　在工程实际中判别带有宏观裂纹的构件在交变荷载作用下其裂纹是否发生疲劳扩展, 对 安全保证具有重要意义。用实验方法研究疲劳裂纹扩展的荷载门槛值时, 最直接的方法是进行 构件原型的疲劳实验。然而原型实验往往因实验机吨位不够、实验费用过高、时间过长等原因 不便进行。因而能比较简便地测定疲劳裂纹扩展荷载门槛值的模型实验方法具有明显的工程 实用价值。 2　裂纹疲劳扩展机理和裂纹尖端塑性核半径门槛值R th [ 1 ] 　　如褚武扬 所指出, 在交变荷载的一个周期中当荷载增加时由于裂纹尖端具有很高的应 力集中系数, 尖端附近会有足够大的应力造成材料沿某一薄弱滑移面滑移。随之材料发生硬化 从而阻止沿此面继续滑移, 滑移现象转移到其他未发生硬化的滑移面上发生。经过多个不同方 向的滑移硬化, 在裂纹长度增加的同时裂纹尖端被钝化, 应力集中系数和应力下降, 滑移停止。 此时裂纹尖端附近已形成弹塑性变形区, 其外面则是大范围的弹性变形区。交变荷载在达到峰 值后荷载降低, 构件的弹性变形区有收缩恢复趋势, 而裂纹尖端弹塑性区内会剩下不可自行恢 ( ) 复的塑性变形区 简称塑性核 , 荷载降至最小时塑性核受到外部弹性区的压力最大。交变荷载 的峰值愈大, 裂纹尖端的弹塑性变形愈大、塑性核及其卸载时所受到的外部压力也愈大。当此 本文于 1997 年 12 月 5 日收到第1 稿, 1998 年 10 月 25 日收到修改稿 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 第 1 期　　　　　沈　庆等: 用光塑性方法确定工程构件的疲劳裂纹扩展荷载门槛值　　　　　　　 9 压力达到材料屈服极限时会把已经钝化了的裂纹尖端压扁, 裂纹尖端形状再次尖锐化, 应力集 中系数再次大为提高。再次加载时就再现滑移、扩展、钝化等过程。而此压力小于材料屈服极 限时, 裂纹尖端将保持钝化了的形状, 再次加载时因应力集中系数小, 裂纹尖端不会出现滑移 扩展。 由上述分析现提出如下推论: 一、当裂纹及加载确定后, 裂纹扩展型、裂纹尖端应力场、卸载时裂纹尖端塑性核大小及 其所受的压力也随之确定。交变荷载的峰值越大塑性核及其所受压力也越大。称此压力达到 材料屈服极限时的塑性核半径为门槛值R th , R th 可视为材料性质。对同一种材料和同一种裂纹 扩展型, R th 不随构件的形状和尺寸而改变。交变荷载的峰值造成的裂纹尖端塑性核半径小于 R th 时, 卸载时的压力不足以把钝化了的裂纹尖端再度压尖, 因而与R th 对应的交变荷载峰值即 疲劳裂纹扩展荷载门槛值。 二、尽管疲劳荷载不属于静荷载, 但上述疲劳裂纹扩展机理分析并不涉及惯性