裂紋擴展速率試樣

Ⅰ COMSOL 如何模擬裂紋擴展速率

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Ⅱ 金屬疲勞裂紋擴展速率分為哪幾個階段

疲勞是指在交變應力作用下發生在材料或結構某點局部、永久性的損傷遞增過程。疲勞在自然界和工程上比較普遍。

在金屬結構的失效形式里，疲勞斷裂是一種主要形式，約占失效結構的90%，而疲勞斷裂是由於金屬結構在循環載荷的作用下，由於各種原因(如應力集中等)，引起疲勞強度降低而產生裂紋，最終由裂紋的擴展而導致結構失效。

疲勞裂紋擴展的規律

疲勞裂紋在擴展過程中一般可分為三個階段：近門檻值階段、高速擴展階段(Paris區)和最終斷裂階段。在近門檻擴展階段，疲勞裂紋的擴展速率很小，疲勞裂紋擴展速率隨著應力強度因子范圍△K的降低而迅速下降，直至da/dN→0，與此對應的△K值稱為疲勞裂紋擴展門檻值，記為△K；在Paris區，疲勞裂紋擴展速率可以用Paris公式來定量地進行描述。

其中，C和m是試驗確定的常數。在高速擴展區，隨著△K的提高，裂紋擴展速率升高，當疲勞循環的最大應力強度因子Kmax接近材料的Kic時，裂紋擴展速率急劇增加，最終導致構件斷裂。

疲勞裂紋擴展一般由疲勞裂紋擴展速率da/dN表徵，即在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環次數N的變化率，反映裂紋擴展的快慢。疲勞裂紋擴展速率da/dN的控制參量是應力強度因子幅度△K，表示材料的疲勞性能。

研究疲勞裂紋的擴展規律一般通過兩種途徑：

一是過實驗室觀察，根據實驗結果直接總結出裂紋擴展規律的經驗公式；

二是結合微觀實驗研究提出裂紋擴展機理的假設模型，推導出裂紋擴展規律的理論公式。疲勞裂紋擴展規律的研究，主要是尋求裂紋擴展速率da/dN與各有關參量之間的關系。

疲勞裂紋擴展影響因素

1. 殘余應力對疲勞裂紋擴展的影響

(1) 殘余應力模型認為，在載入過程中裂紋**，裂紋尖端附近形成一個塑性區，載荷峰值越大，則塑性區尺寸就越大：卸載後，由於塑性區周圍的彈性區材料要恢復原來的尺寸，為了保持變形協調，已產生了永久變形的塑性區內的材料就要受到周圍彈性區的壓縮而產生殘余壓應力。

(2) 殘余應力對結構的實有應力分布有很大的影響，許多人在這方面都做過研究，其中達成共識的是，殘余壓應力使疲勞裂紋的擴展減緩。

(3 ) 從兩方面分析了殘余應力對疲勞裂紋擴展的影響：a. 殘余壓應力使裂紋的兩個面壓緊，從而使裂紋閉合；b. 降低了裂紋的最大應力強度因子Kmax，使裂紋擴展驅動力降低。

2. 超載對疲勞裂紋擴展的影響

在裂紋尖端殘余應力的基礎上，過載使裂紋尖端形成大塑性區，而塑性區阻礙裂紋增長，使裂紋產生停滯效應。

施加過載時，裂紋尖端產生較大的殘余拉應變，過載後，在隨後的恆定△K作用下逐漸卸載過程中，因裂尖已形成殘余拉應變，使裂紋尖端過早閉合，會產生裂紋的閉合效應，從而裂紋尖端實際的應力強度因子△Keff比實際外加值△KI小，所以延緩裂紋擴展速率。

國內的超載對疲勞裂紋的影響的研究主要集中在實驗研究上，理論方面有所欠缺。

3. 溫度對疲勞裂紋擴展的影響

大量的實驗表明，對於大多數材料，隨溫度的升高，da/dN增高。隨da/dN的增高，溫度對da/dN的影響減弱。

4. 載入頻率對疲勞裂紋擴展的影響

在研究周期頻率對合金裂紋擴展的影響過程中，學者提出了高溫環境下，由於頻率的影響，可從試件斷口形貌特徵將疲勞行為分為周期相關性、時間相關性和周期-時間相關性3種類型。

由於材料或環境的因素，載入頻率對疲勞裂紋擴展速率將產生很大的影響。

以工業Ti為對象研究了載入頻率對中溫環境下疲勞裂紋擴展的影響，並用彈、粘塑性理論對其進行了理論上的探討。基於該理論的本構關系和利用有限元方法，對裂紋尖端的應力應變進行了分析，結果表明，粘塑性應變范圍和J 積分范圍可以作為裂紋擴展的參數，能很好地反映載入頻率對裂紋擴展的影響。

大量研究表明，當△K較低時，da/dN基本不受載入頻率的影響；當△K較大時，載入頻率有較大影響。載入頻率降低，da/dN增高；載入頻率增高，da/dN 降低。

5. 應力比對疲勞裂紋擴展的影響

研究了三種不同應力比下SiCp/Al復合材料疲勞裂紋擴展行為，結果表明：隨著應力比R 增大，疲勞裂紋擴展速率da/dN降低。疲勞裂紋的斷口形貌塑性斷裂越明顯，裂紋尖端塑性區增大，裂紋尖端鈍化越顯著，二次裂紋數量增加。

通過實驗研究發現應力比R對疲勞裂紋擴展行為有明顯影響，高應力比下的疲勞裂紋擴展速率明顯快於低應力比條件下的擴展速率，並且高應力比下的疲勞裂紋擴展在較小的△K值下進入快速擴展階段，並很快斷裂。在較低的△K水平下應力比的影響與裂紋閉合效應有關。

大量研究表明，隨著壓力比R的增加，da/dN增加；R不僅影響da/dN，而且影響門檻值，一般隨著R的增加，門檻值減小。

結論

從以上綜述中可以看出，目前國內外對對疲勞裂紋擴展問題的研究多由Paris、Forman等經驗公式出發，得出以下常用結論：

1. 殘余壓應力和超載能延緩疲勞裂紋的擴展。

2. 2. 對於大多數材料，隨溫度的升高，da/dN增高。隨da/dN的增高，溫度對da/dN的影響減弱。

3. 3. 當△K較低時，da/dN基本不受載入頻率的影響；當△K較大時，載入頻率有較大影響。載入頻率降低，da/dN增高；載入頻率增高，da/dN降低。

4. 4. 隨著壓力比R的增加，da/dN增加；R不僅影響da/dN，而且影響門檻值，一般隨著R的增加，門檻值減小。

5. 國內對於疲勞裂紋擴展的研究主要集中在實驗研究上，不是從基本的力學觀點出發而具有普適的解析公式，理論研究方面有很大欠缺，不能解釋疲勞裂紋擴展的本質客觀規律，對疲勞裂紋擴展的理論研究有待進一步深入。