鞍钢技术复合型疲劳裂纹研究的现状与展望田常海(鞍钢技术中心)摘要　介绍了国内外有关学者对复合型疲劳裂纹扩展的研究情况及试验结果,并对他们的理论加以详细论述,同时提出了今后这一领域的研究方向。

关键词　疲劳裂纹　扩展Now aday Sit uation and Perspective ofthe Invest igation of Composite Fatig ue CrackTian Changhai(AISC Technolog y Center)Abstract　T his a rticle intr oduces t he situation of the study on co mposite fatigue cr ack spread-ing by the fo reign ex per ts and the ex per iment results,gives t he detail discussion o n their theo ry, and point s o ut the direction of t he study in t his f ield as w ell.Key Words　fatig ue crack　spr ead1　引　言疲劳裂纹的扩展取决于部件所用的材料性质、几何形状及受载情况等,过去对于疲劳裂纹扩展的描述在工程上一般都基于Paris 公式,它对描述纯Ⅰ型疲劳裂纹扩展是成功的。

但是,实际工程中的大多数情况并非是纯Ⅰ型的,而往往是复合型受载,在复合型加载条件下,含有Ⅱ型裂纹的复合型裂纹往往改变原裂纹的扩展方向,含有Ⅲ型裂纹的复合田常海　工学博士　鞍钢技术中心金检室 邮编　114001型裂纹往往发生裂纹面的扭转,对这一情况, Paris公式便无能为力。

于是一些学者进行了Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展试验,提出了描述复合型裂纹扩展的理论。

2　Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹的扩展2.1　Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹门槛值试验Qao H ua〔1〕等人利用单边缺口试样(受非对称的四点弯曲循环加载和含倾斜裂纹板试样承受循环双轴拉伸)进行了大量的铁合金和有色合金疲劳裂纹门槛值试验,获得了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹门槛值分布图,如图1所示。

图1中的实线表示下限门槛值,低于此值时,在载荷比R =0.2以及加载频率f =15～80Hz 的情况下,探测不到疲劳裂纹的扩展。

虚线代表门槛值上限,在上限之外的区域,裂纹在垂直于裂纹尖端最大拉应力(R Q )max 的平面上以Ⅰ型扩展为主。

两线之间的区域,裂纹扩展强烈地依赖于裂纹面间的摩擦。

上限曲线的位置(对于Ⅰ型裂纹扩展的起始点)依赖于断口凸凹面相互闭锁和氧化物形成所导致的裂纹闭合,这种闭合还引起两曲线包围区内裂纹扩展的停止。

随着循环拉伸应力比的增大,裂纹闭合量下降,此时,上限曲线(虚线)开始向下限曲线(实线)靠近,当用切口裂纹代替尖锐疲劳裂纹承受复合型疲劳加载时,上限曲线和下限曲线相重合,这些结果表明了裂纹面的摩擦滑动对复合型疲劳裂纹扩展有重大影响。

图1　Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹门槛值分布图2.2　Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展的描述如果由裂纹面接触而引起的摩擦对疲劳裂纹影响不显著的话,根据几种判据可以预测Ⅰ-Ⅱ复合型加载或Ⅱ型加载条件下的疲劳裂纹扩展路径,为了定量处理不同Ⅰ-Ⅱ复合型加载参数下的疲劳裂纹扩展路径,引入了裂纹尖端的类型复合度W m 的概念。

W m =arctg K 2K 1(1)He and Hutchinson〔2〕给出了根据最大应变能释放率理论和最大周向应力理论及裂纹沿K 2=0方向扩展这一判据所预测的裂纹开裂角随断裂类型复合度的变化曲线。

Sih 〔3〕以应变能密度因子为理论基础,提出了以最小应变能密度因子幅值作为主要参量描述复合型裂纹扩展速率,即d A /d N =8($S min )X(2)式中S min 为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子及极角H 的函数,8、X 为材料常数。

Sih 〔3〕用这种方法对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹拐弯扩展阶段裂纹尖端的分析时,是用曲折成Z 字形的裂纹尖端的连线表示假想直线斜裂纹代替原来的Z 字形折线裂纹,8、X 取式2在纯Ⅰ型裂纹下得到的8、X 值,预测了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展路径及循环次数。

还有采用投影法、广义J 积分法、最大应变法对Ⅰ-Ⅱ复合裂纹扩展速率进行研究的,得到的结果与Sih 〔3〕的结果基本相同,即Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹的扩展方向基本满足于静载失稳情况提出的几种准则。

然而,由于Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展后裂纹面摩擦的严重影响,预测循环次数与试验结果相差较大。

到目前为止,已进行的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验可以得到如下结果:(1)如果疲劳裂纹受纯Ⅱ型位移的作用,裂纹侧面总处于接触状态,因此,Ⅱ型共面裂纹的扩展最终必定停止(如图1所示两曲线之间的区域)。

试验表明,受Ⅱ型疲劳裂纹作用的试样断口上易形成磨损碎片。

由于纯Ⅱ型摩擦接触,断裂也能够通过发展Ⅰ型分叉裂纹而进行。

只有叠加拉伸载荷,闭合效应才能减少或完全消失。

(2)由于Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展受裂纹面摩擦的严重影响,裂纹扩展速率是其自身裂纹长度的函数,具有不同长度的裂纹将表现出不同的疲劳裂纹扩展特征。

如果试样含有切口而不是疲劳裂纹,那么在复合型疲劳作用下常可观察到较低的门槛值。

(3)在结构钢Ⅱ型疲劳裂纹扩展研究中,裂纹扩展的衰减来自两个因素:裂纹前缘的残余应力;断口凸凹区的相互闭锁和凸凹交错引起的严重塑性变形。

3　Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹的扩展3.1　Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展的特征和描述电站及传动系统中的涡轮机轴及汽车的一些构件经常发生循环扭转疲劳破坏,循环扭转破坏可能沿纵向剪切面以反平面剪切(Ⅲ型方式),或者沿最大主拉应力面(与轴成±45°),以Ⅰ型方式出现。

在低应力循环时(一般小于70%屈服应力),局部Ⅰ型扩展控制着整个Ⅲ型断裂过程。

因此,以扭转断裂或者以螺旋状断口的宏观拉伸方式,即45°分叉裂纹的微观拉伸方式的发生,这导致断口上出现所谓的“工厂屋顶”形貌,在高幅循环扭转作用下,发生纯扭转裂纹扩展(沿径向),它可导致平面断口。

在低幅应力循环扭转载荷下,由于曲线裂纹路径及裂纹面间附加的摩擦接触、闭锁,使Ⅲ型或Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展的表征成为一件困难的工作。

即$K3的名义值不能唯一地表征Ⅲ型或Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展,疲劳裂纹扩展的任何名义驱动力与产生循环断裂的有效驱动力有明显的差异。

因裂纹顶端的循环位移范围的名义值($CT D)3定义简单,而常用来描述扭转疲劳特性。

所有三种类型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型)的裂纹扩展速率都可在共同尺度上进行对比。

利用循环塑性应变强度参量$#3描述了Ⅲ型疲劳裂纹扩展特性。

从本质上说,这一方法与CT D方法相同,对于线弹性脆性材料,用循环塑性应变强度参量$ 3描述Ⅲ型疲劳裂纹扩展的方法与用Ⅲ型应力强度因子K3描述疲劳裂纹扩展的方法相同。

3.2　Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展阻力的估计为了回避裂纹的闭合效应对Ⅲ型疲劳裂纹扩展的影响,通常采用两种试验方法估计Ⅲ型裂纹真实扩展速率。

T echgg〔4〕提出的第一种方法是在不同的名义“驱动力”即$K3或($CTD)3下,测量Ⅲ型裂纹扩展速率d A/ d N随裂纹长度A(或c)的变化曲线,每条曲线代表一个固定的远场循环加载水平,将它们外推到零裂纹长度,便得到了没有任何断口干扰的裂纹扩展速率。

这种方法的主要缺点是:需要在几种不同的恒定的“驱动力”即$K3或($CTD)3下分别在不同的裂纹长度下测量裂纹的扩展速率。

才能外推出远场恒定加载水平下真实扩展速率的单一值,需要的试样多,但是这种方法能明显地表明扭转疲劳断裂中裂纹扩展是如何随裂纹面干扰的加剧而降低的。

用该方法得到的Ⅲ型真实裂纹扩展速率稍高于同等CTD范围下的Ⅰ型疲劳裂纹扩展速率。

这一结果隐含着:Ⅲ型疲劳裂纹较Ⅰ型有明显高的阻力来自裂纹的闭合、自锁、摩擦效应,然而,由于没有考虑到裂纹曲折路径对Ⅲ型裂纹顶端应力场的影响以及闭合对Ⅰ型裂纹扩展速率的影响,该推断未得到充分的试验证实。

T scheg g和Suresh 曾经运用这种外推法得到的真实断裂阻力来估计摩擦滑动对4340钢(200℃回火)Ⅲ型裂纹断裂韧性的影响,发现环形缺口圆柱试样(直径19m m)的疲劳预制裂纹深度从0.2mm增到1.2m m,其Ⅲ型裂纹断裂韧性约增加1倍。

第二种方法的目的是降低扭转疲劳中断裂表面干扰的复杂性,它的循环扭转载荷上叠加一静拉伸载荷,以便将闭锁的凸凹断口分离。

T schegg〔4〕进行了纯Ⅲ型裂纹加载和在Ⅲ型裂纹加载上叠加一静拉伸载荷(K1=6～11M Pa・m1/2)的扩展速率对比试验,表明:利用这一技术,在某些条件下,即便施加小的静拉伸载荷,也会因降低闭合程度而使Ⅲ型疲劳裂纹扩展速率明显增加。

使断口完全分离的拉伸载荷是材料性能、循环扭转载荷幅和裂纹扩展微观机制的函数,对于高强度材料,需要相当大的拉伸载荷来消除裂纹面的接触。

然而叠加如此大的拉伸载荷来消除裂纹面的接触,会导致裂纹顶端处于强烈的复合型状态,目前,还没有能够唯一表征复合型裂纹扩展的可靠方法,虽然在Ⅲ型疲劳裂纹加载上施加即使很小的静拉伸载荷,就可以减小Ⅲ型疲劳裂纹的闭合效应,而使Ⅲ型疲劳裂纹扩展速率明显增加,然而其增加的速度却明显低于纯Ⅲ型疲劳裂纹扩展速率的增加速度。

4　复合型裂纹的脆性断裂准则现有的复合型裂纹断裂准则可分为两大类:一是以裂纹尖端的应力-应变场为基础;二是基于能量平衡观点的能量理论,以裂纹尖端的应力-应变场为基础的断裂准则,又可分为以裂纹尖端应力为参量的复合型裂纹断裂准则和以裂纹尖端应变为参量的断裂准则。

所有的这些准则都假定裂纹开裂扩展将沿着以裂纹尖端为中心的射线方向,并且在此方向的某个函数存在着一个极值,当此极值达到临界值时,裂纹开始失稳扩展。

4.1　复合型裂纹脆性断裂的应力准则以应力为参量的断裂准则主要为最大周向应力准则〔R H〕max准则。

60年代Erdogan和Sih继承了历史上宏观最大正应力理论思想,提出了复合型裂纹的最大周向应力准则:裂纹沿R H最大的方向扩展;当R H在此方向上取得极值时,裂纹开裂。

此准则的缺点在于: (1)R H具有奇异性,当r→0时,R H→∞;(2)该准则没有综合考虑其它应力分量的作用;(3)不能将平面应力和平面应变问题区分开来。

薛大为〔5〕建议考虑裂纹尖端附近等S r H线上取最大周向应力点,裂纹将由其尖端沿指向此点的方向开裂,开裂条件为:沿此方向的周向应力达到某临界值。

也有人建议将裂纹尖端附近等应变密度线上的R H作为参量,假定裂纹沿等应变能密度线上最大周向应力的方向开裂,则在此方向上取得极值作为开裂条件。