常幅和過載下CT試件的低周疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究*

余志鋒 楊 平 董 琴 李逸候 姚國(guó)全

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

常幅和過載下CT試件的低周疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究*

余志鋒1)楊 平1,2)董 琴1)李逸候1)姚國(guó)全1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢 430063)

實(shí)際工程構(gòu)件經(jīng)常受到變幅載荷作用，施加的拉伸過載對(duì)構(gòu)件上的疲勞裂紋的擴(kuò)展有明顯影響.以裂紋張開位移為基本測(cè)量參量，開展了AH32標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣(CT試樣)在常幅和拉伸過載下裂紋擴(kuò)展速率的變化規(guī)律的研究.闡述了在基本循環(huán)中插入單個(gè)拉伸過載、雙次拉伸過載等情況下裂紋長(zhǎng)度及裂紋張開位移隨裂紋擴(kuò)展的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋張開位移能很好的詮釋低周疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律；過載在裂尖前方和裂紋尾跡區(qū)引起的壓縮殘余應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展遲滯的重要原因.

低周疲勞；裂紋擴(kuò)展；過載；裂紋擴(kuò)展速率

0 引 言

近年來，隨著船舶主尺度的不斷加大，為減輕結(jié)構(gòu)重量而采用的高強(qiáng)度鋼越來越多，船舶結(jié)構(gòu)變得越來越軟，船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形也越來越大，大型船舶結(jié)構(gòu)的低周疲勞裂紋擴(kuò)展問題顯得十分突出，成為大型化船舶發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵性問題.疲勞裂紋擴(kuò)展速率受風(fēng)、浪、流等變幅載荷之間的相互作用影響較大，其可能會(huì)產(chǎn)生加速或者遲滯，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)生較大誤差，因此，研究常幅和拉伸過載下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律對(duì)于承受變幅載荷構(gòu)件的疲勞壽命評(píng)估具有重要意義.

理論方面，Huang等[1]引入對(duì)稱循環(huán)載荷作用下等效應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，提出改進(jìn)的Wheeler模型表征變幅載荷作用下裂紋擴(kuò)展規(guī)律，此預(yù)測(cè)模型主要依賴于應(yīng)力比和裂紋尖端塑性區(qū)尺寸.Jiang等[2]提出了常幅循環(huán)下引入一個(gè)單峰過載的疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型，即虛擬裂紋退火模型，其過載引起的遲滯效應(yīng)由裂紋閉合效應(yīng)和塑性區(qū)尺寸表征.Hamam等[3-4]對(duì)于復(fù)雜載荷工況下提出了一個(gè)裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)的增量模型.沙宇等[5]通過彈塑性有限元和增量塑性損傷理論相結(jié)合，在Wheeler模型基礎(chǔ)上建立了變幅循環(huán)載荷下疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)模型，并建立過載后塑性區(qū)尺寸的計(jì)算方法，最后通過有限元對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證.試驗(yàn)方面，大多數(shù)學(xué)者都是以緊湊拉伸試樣(CT)或者中心裂紋試樣(CCT)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過有限元模擬理論計(jì)算，再與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[6-8].Hammouda等[9-10]通過有限元分析得方法設(shè)計(jì)了三類對(duì)比試驗(yàn)：等幅、單峰超載和連續(xù)單峰超載，并且在連續(xù)超載作用下試驗(yàn)了不同超載比以及超載峰間距不同時(shí)的遲滯效應(yīng)和裂紋擴(kuò)展速率.有限元方面，李亞智等[11]基于塑性誘導(dǎo)閉合原理，運(yùn)用彈塑性有限元法模擬了裂紋的擴(kuò)展，并討論了疲勞裂紋閉合與殘余應(yīng)力的作用以及過載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響.張麗娜等[12-13]通過數(shù)值模擬單峰過載引起的殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子，并得到了單峰過載疲勞裂紋尖端區(qū)域殘余應(yīng)力場(chǎng).

文中以裂紋張開位移為基本參量，研究AH32標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣(CT試樣)在常幅和拉伸過載下裂紋擴(kuò)展速率的變化規(guī)律.重點(diǎn)闡述了在基本循環(huán)中插入單個(gè)拉伸過載、雙次拉伸過載等情況下裂紋長(zhǎng)度及裂紋張開位移隨裂紋擴(kuò)展的分布規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋張開位移能很好的詮釋低周疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)過載載荷在裂尖前方和裂紋尾跡區(qū)引起的壓縮殘余應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展遲滯的重要原因[14].

1 基本理論方程

傳統(tǒng)的疲勞裂紋擴(kuò)展模型見式(1)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率由有效應(yīng)力強(qiáng)度因子決定.

=C(ΔKeff)m

(1)

ΔKeff=Kmax-KOP

式中：da/dN為裂紋擴(kuò)展速率；ΔKeff為有效應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kmax為最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；KOP為裂紋閉合影響水平；C，m為材料參數(shù).

Nicholls[15]假定了一個(gè)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率與COD關(guān)系式

=b(COD)1/p

(2)

式中：da/dN為裂紋擴(kuò)展速率；COD為裂紋張開位移尺寸；b，p為材料參數(shù).

文中擬用裂紋張開位移表征低周疲勞下CT試件的裂紋擴(kuò)展規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)工裝及實(shí)驗(yàn)材料

圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)CT試件的各項(xiàng)參數(shù)，模型長(zhǎng)度62.5 mm、寬度60 mm.實(shí)驗(yàn)主要研究CT試件在裂紋擴(kuò)展時(shí)各項(xiàng)行為變化.預(yù)置裂紋2 mm，裂紋擴(kuò)展區(qū)域總觀察長(zhǎng)度為38 mm.實(shí)驗(yàn)中選用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)，選取的最大外載荷范圍為35～40 kN，應(yīng)力比R選取范圍0.2～0.5，過載比ROL選取范圍為1.1～1.3，實(shí)驗(yàn)加載頻率為1 Hz.

圖1 CT試件模型實(shí)驗(yàn)(單位：mm)

實(shí)驗(yàn)材料采用AH32高強(qiáng)度船用鋼材，材料成分見表1.

表1 AH32高強(qiáng)度船用鋼材化學(xué)成分組成

實(shí)驗(yàn)裂紋測(cè)量采用高精度裂縫測(cè)寬儀(見圖2)實(shí)時(shí)讀取裂紋擴(kuò)展動(dòng)態(tài)，見圖3.實(shí)驗(yàn)所使用的裂縫測(cè)寬儀量程為4 mm、精度為0.02 mm.

圖2 裂縫測(cè)寬儀

圖3 裂縫測(cè)寬儀測(cè)量圖

2.2 裂紋擴(kuò)展速率與疲勞壽命關(guān)系研究

裂紋擴(kuò)展壽命曲線見圖4.

圖4 裂紋擴(kuò)展壽命曲線

圖4b)顯示了應(yīng)力比R=0.2，單過載峰(過載比分別為1，1.2，1.3)的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).R=0.2, Rol=1為常幅工況，對(duì)比單過載峰工況與常幅工況，易發(fā)現(xiàn)過載后CT試件的裂紋擴(kuò)展壽命提高了.試件過載后存在裂紋擴(kuò)展遲滯效應(yīng)，過載載荷施加后，在裂尖區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)大的塑性區(qū)，在循環(huán)載荷作用下塑性區(qū)不再擴(kuò)大，裂紋擴(kuò)展行為減緩.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，過載遲滯效應(yīng)逐漸減小，當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)達(dá)到一定程度所產(chǎn)生的塑性區(qū)超過過載所產(chǎn)生的范圍時(shí)，過載遲滯效應(yīng)消失，裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展.裂紋擴(kuò)展過載比，也對(duì)裂紋的擴(kuò)展壽命起到一定影響，過載比越大則過載遲滯效應(yīng)降低，裂紋擴(kuò)展壽命變短.在實(shí)際應(yīng)用中取得適當(dāng)?shù)倪^載比對(duì)提高AH32鋼材的疲勞壽命起到重要作用.圖4c)顯示了在雙過載峰工況下裂紋擴(kuò)展隨循環(huán)次數(shù)變化的情況.在第1 000次循環(huán)時(shí)，對(duì)試件施加第一次過載Rol=1.2，第二次施加過載載荷時(shí)刻分別是N=1 000，1 800，2 600次.對(duì)比圖4b)中Fmax=35kN，Rol=1.2/1.3單過載峰工況，容易發(fā)現(xiàn)施加雙過載峰可以延長(zhǎng)CT試件的疲勞壽命，第二次過載峰的施加時(shí)間也影響著CT試件的疲勞壽命，第二次過載峰出現(xiàn)的越早疲勞壽命適當(dāng)延長(zhǎng).當(dāng)裂紋擴(kuò)展的塑性區(qū)尺寸達(dá)到第一次過載所提供范圍后，裂紋擴(kuò)展又回到常幅擴(kuò)展工況，此時(shí)施加第二次過載峰，相當(dāng)于在第一次過載后的常幅工況中施加過載，這也同時(shí)證明了過載的遲滯效應(yīng).

2.3COD與裂紋擴(kuò)展壽命關(guān)系

針對(duì)COD與裂紋擴(kuò)展壽命之間的關(guān)系問題，分別開展了相應(yīng)的系列實(shí)驗(yàn)研究.該部分研究了裂紋擴(kuò)展過程中疲勞的兩項(xiàng)主要參數(shù)COD與da/dN(裂紋擴(kuò)展速率)之間變化情況.圖5～6分別顯示的是常幅、單過載峰、雙過載峰工況下兩項(xiàng)參數(shù)的變化曲線.對(duì)比圖5a)與圖5b)可知，經(jīng)過一次過載峰后，COD值為6 mm時(shí)刻出現(xiàn)了過載的遲滯效應(yīng)，裂紋擴(kuò)展速率降低，在循環(huán)載荷作用下提供的塑性區(qū)半徑未達(dá)到過載峰所提供的尺寸前COD不再增加，僅裂紋擴(kuò)展速率逐漸增大直至超出過載提供的塑性區(qū)后，以常幅工況繼續(xù)增大，最終試件損壞.

對(duì)比圖6中的三條曲線，易發(fā)現(xiàn)在COD值為4 mm時(shí)第一次過載結(jié)束，試件進(jìn)入第一次過載峰提供的塑性區(qū)中，同時(shí)裂紋擴(kuò)展速率顯著下降，COD停止擴(kuò)大.當(dāng)裂紋擴(kuò)展重新進(jìn)入常幅擴(kuò)展工況后，分別在不同時(shí)刻施加第二次過載峰，圖6a)～6c)分別顯示的是兩次過載峰間隔分別為1 000，1 800，2 600次時(shí)的情況.可以超出第一次過載峰所提供的塑性區(qū)重新進(jìn)入常幅工況后，第二次過載峰施加時(shí)間越早對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的減小作用越明顯，對(duì)延長(zhǎng)CT試件疲勞壽命的作用也越顯著.

圖5 COD與裂紋擴(kuò)展速率關(guān)系曲線

圖6 雙過載峰工況下COD與裂紋擴(kuò)展速率關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

1) 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了不同過載比下裂紋擴(kuò)展特性.單過載峰工況下，越早施加過載峰對(duì)延長(zhǎng)CT試件的作用越顯著，選擇適當(dāng)過載比有助于增加裂紋擴(kuò)展疲勞壽命.

2) 過載的遲滯效應(yīng)不僅僅體現(xiàn)在單過載峰工況下，雙過載峰工況下裂紋擴(kuò)展遲滯效應(yīng)仍然存在；單過載峰的遲滯作用消失后，第二個(gè)過載峰作用越早對(duì)延長(zhǎng)CT試件壽命的作用越明顯.

3) 提出的COD與da/dN曲線能夠更加直觀地反映裂紋擴(kuò)展在過載峰作用下的特性，該曲線能更為直觀地反映疲勞裂紋在各種工況下的擴(kuò)展行為，特別是在施加過載載荷的工況中能清楚地展示過載的遲滯效應(yīng).

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Experimental Study on Low Cycle Fatigue Crack Propagation of CT Specimen under Constant Amplitude and Overload

YU Zhifeng1)YANG Ping1,2)DONG Qin1)LI Yihou1)YAO Guoquan1)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Key Laboratory of High Performance Ship Technology, Ministry of Education, Wuhan 430063, China)2)

Engineering structural components are often subjected to variable amplitude loads, and the applied tensile overload has a significant effect on the fatigue crack propagation. The crack propagation rate of AH32 standard compact tensile specimen under constant amplitude and tensile overload is studied by adopting the crack opening displacement as the basic parameter. The patterns of crack length and crack opening displacement with crack propagation under single tensile overload, double tension overload and others are discussed. The experimental results show that the crack open displacement can well explain the regular pattern of low cycle fatigue crack propagation. The compressive residual stress due to the overload in the crack tip and crack tail-trail region is found to be the important reason causing the retardation of crack propagation.

low cycle fatigue; crack propagation; overload; crack propagation rate

2017-02-21

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51479153)

TG146.21

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.026

余志鋒(1992—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全性與可靠性分析