关键词 :疲劳裂纹扩展速率 ;剩余寿命 ;疲劳裂纹扩展门槛值 中图分类号 : TH123 文献标识码 :A
1 引言
da dN
=
C (Δ K) m
(1)
式中 :Δ K ———应力强度因子范围 。
表 1 某些国产材料的疲劳裂纹扩展速率参数
常规疲劳设计方法和局部应力应变法都是以材 料的完整性为前提的 。但是 ,实际零构件在加工制造 过程中 ,由于种种原因 ,往往存在这样那样的缺陷或 裂纹 。为了考虑初始缺陷或裂纹对疲劳寿命的影响 , 便在断裂力学和破损 - 安全设计原理的基础上 , 提 出了一种新的疲劳设计方法 ———损伤容限设计 。
10Cr2Mo1
调质
0. 1 100
10 Ti
热轧
0. 15 40
12Cr2Ni4
调质
0. 25 67
13MnNiMoNb
调质
0. 1 6. 0
15MnV
正火
0. 1 140
16Mn
热轧
0. 1 150
16MnCr5 淬火后低温回火 0. 16 170
16MnL
热轧
0. 20 95
16MnL
热轧
0. 20 95
应力的影响 , Forman 提出了以下的修正式 :
da dN
=
C (Δ K) m (1 - R) Kc - Δ K
(5)
因为缺乏其 C 、m 值数据 ,在工程中应用较少 。
3 剩余寿命估算
3. 1 等幅载荷下的剩余寿命估算
将 Paris 公式积分 ,可得疲劳裂纹扩展寿命的估
算公式如下 :
∫ ∫ ∫ N p =
2 疲劳裂纹扩展速率
疲劳裂纹扩展速率 d a/ d N 是剩余寿命估算的 基础 。它又可分为长裂纹的疲劳裂纹扩展速率与短 裂纹的疲劳裂纹扩展速率 。短裂纹的疲劳裂纹扩展 速率尚在研究阶段 , 这里仅介绍长裂纹的疲劳裂纹 扩展速率 。
长裂纹的疲劳裂纹扩展速率 d a/ d N 通常用以 下的 Paris 公式表达 :
产机械材料的 C 和 m 值列于表 1 。
在变幅载荷下 , 应考虑压应力下裂纹闭合的影 响 ,其 d a/ d N 表达式应改为 :
da dN
=
C ( UΔ K) m
(2)
式中 : U ———闭合因子 。
U 主要与应力比 R 有关 ,在 - 0. 1 < R < 0. 7 的
范围内 , U 可用下式计算 :
20Cr2Ni4A 20CrMnSi 20CrMnCr5
淬火后低温回火 0. 10 170 5. 40
调质
0. 25 67 3. 92
淬火后低温回火 0. 10 170 11. 77
44. 771 148. 92 24. 806
2. 063 9 2. 799 9 2. 904 7
20Ni2Mo
调质
0. 10 83 4. 91 0. 011 00 2. 850 0
40MnVB
调质
0. 10 104 10. 00
42CrMo
调质
0. 10 104 10. 00
45
正火
0. 20 150 14. 30
45
调质
0. 10 80 8. 50
55
调质
0. 20 117 7. 88
55Si2Mn 淬火后中温回火 0. 11 60 9. 00
55SiMnVB 淬火后中温回火 0. 20 107 3. 83
4 可靠性与失效分析
设计领域综述
《机械设计》2000 年 5 月 №5
文章编号 :1001 - 2354 (2000) 05 - 0004 - 04
损伤容限设计方法和设计数据Ξ
赵少汴
(机械工业部郑州机械研究所 先进制造技术研究中心 ,河南 郑州 450052)
摘要 :论述了损伤容限设计方法 , 研究了长裂纹的疲劳裂纹扩展寿命估算方法和初始裂纹尺寸 a0 的确定方 法 。并提供了常用国产机械材料的疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值的试验数据 。
1Cr18Ni9 Ti 淬火后时效 0. 10 175
20
正火
0. 10 0. 00
11. 30 -
13. 33 13. 00 8. 41 10. 42 9. 81 2. 45 2. 45 2. 45 10. 78 10. 78 10. 78 7. 60 6. 57 12. 0 12. 0 5. 93 7. 46 6. 80
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《机械设计》2000 年 5 月 №5
设计领域综述
可靠性与失效分析 5
(续表 1)
35Mn2
0. 724 0 2. 920 0 3 170. 0 1. 360 0 814. 14 2. 241 3 1. 385 0 4. 170 0 0. 541 65 4. 690 0 0. 001 06 4. 663 1 0. 115 37 3. 473 7 9. 800 0 3. 522 0 0. 020 20 4. 043 0 4. 620 0 3. 765 0 1. 740 0 3. 990 0 3. 900 0 3. 890 0 1. 260 0 4. 160 0 2. 144 9 3. 849 2 41. 100 3. 210 8 14. 900 3. 500 0 16. 000 3. 540 0 1 793. 7 2. 055 9 6. 453 5 4. 030 0 0. 211 60 3. 457 6
材料
00Cr17Ni14Mo2 0Cr19Ni9
热处理
油淬 固溶处理
应力 试验频 最大载 Paris 公式中的参数 比 率 ( Hz) 荷 (kN) C ( ×10 - 10) m
0. 2 110 9. 26 1. 013 8 4. 169 4
0. 2 104 9. 26 46. 104 3. 045 6
ZG15Cr2Mo 正火后回火 0. 10 -
-
ZG1Cr13
退火后正火 0. 25 72 6. 00
ZG20SiMn
正火
0 73 13. 48
ZG45
调质
0. 40 120 9. 80
ZG55
调质
0 110 -
ZGCr15
回火 2h 0. 10 120 4. 95
ZGCr15SiMn ②
回火 3h
60Si2Mn 淬火后中温回火 0. 20 110 3. 92
9Cr18
淬火
0. 10 120 4. 95
B HW35
正火后回火 0. 20 100 17. 64
GCr15
淬火后低温回火 0. 10 120 4. 95
GCr15SiMn 淬火后低温回火 0. 10 120 4. 95
Q235A
热轧
0. 10 30 21. 56
2. 391 2 4. 940 0 4. 434 1 3. 507 0 2. 861 5 2. 409 2 2. 580 0 2. 828 2 2. 679 3 4. 390 0 3. 360 0 3. 092 1 3. 422 1 1. 776 0 4. 270 0 6. 140 0 3. 938 0 4. 410 0 3. 400 0 3. 516 7 2. 733 0 3. 780 0 3. 640 0 2. 830 0 3. 730 0 2. 286 0 3. 525 7 3. 100 0 4. 030 0 3. 991 7 3. 490 0 2. 283 2 2. 360 0 1. 600 2
0. 20 110 10. 85
176. 04 0. 351 93 1. 720 0 10. 000 290. 00 1 305. 9 407. 73 97. 627 176. 36
1. 040 45. 500 49. 399 23. 811 2 481. 5 3. 220 0 0. 000 03 1. 876 0 9 140. 0 0. 146 0 7. 512 4 95. 800 2. 680 0 4. 858 6 315. 03 20. 400 1 150. 0 20. 000 0. 293 0 3. 310 0 2. 255 0 0. 000 07 65. 460 3. 460 0 3 210. 2
简单说来 ,损伤容限设计就是以断裂力学为理 论基础 ,以无损检验技术和断裂韧度的测量技术为 手段 ,以有初始缺陷或裂纹零构件的剩余寿命估算 为中心 ,以断裂控制为保证 ,确保零构件在其服役期 内能够安全使用的一种疲劳设计方法 。
损伤容限设计 , 允许零构件在使用期内有初始 缺陷 ,或在服役期内出现裂纹 , 发生破损 , 但在下次 检修前要保持一定的剩余强度 ,能够安全使用 , 直至 下次检修时能够发现 , 予以修复或更换 。因此 , 损伤 容限设计的关键问题是正确估算剩余寿命 。
注 :1. 除特殊注明者外 ,试验温度均为 25 ℃,载荷波形均为正弦波 ,试验环境 均为大气 。
2. 此表适用于Δ K 的单位为 MPa m , d a/ d N 的单位为 mm/ c 。 ①波形为三角波 。
②试验温度 28 ℃。 C 、m ———材料常数 ,上海材料研究所与郑州机械研究所等单位试验得出的国
U = 0. 5 + 0. 1 R + 0. 4 R2
(3)
在程序载荷下 ,若一个载荷块有 i 级应力 , 每个
载荷块内第 i 级应力的循环次数为 ni , 则每个载荷
块的疲劳裂纹扩展速率为 :
∑ d a
dλ
=
n i =1
ni
da dN