常幅和過載下CT試件的低周疲勞裂紋擴展實驗研究*

余志鋒 楊 平 董 琴 李逸候 姚國全

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術教育部重點實驗室2) 武漢 430063)

常幅和過載下CT試件的低周疲勞裂紋擴展實驗研究*

余志鋒1)楊 平1,2)董 琴1)李逸候1)姚國全1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (高性能船舶技術教育部重點實驗室2)武漢 430063)

實際工程構件經常受到變幅載荷作用，施加的拉伸過載對構件上的疲勞裂紋的擴展有明顯影響.以裂紋張開位移為基本測量參量，開展了AH32標準緊湊拉伸試樣(CT試樣)在常幅和拉伸過載下裂紋擴展速率的變化規律的研究.闡述了在基本循環中插入單個拉伸過載、雙次拉伸過載等情況下裂紋長度及裂紋張開位移隨裂紋擴展的規律.實驗結果表明，裂紋張開位移能很好的詮釋低周疲勞裂紋擴展規律；過載在裂尖前方和裂紋尾跡區引起的壓縮殘余應力是導致裂紋擴展遲滯的重要原因.

低周疲勞；裂紋擴展；過載；裂紋擴展速率

0 引 言

近年來，隨著船舶主尺度的不斷加大，為減輕結構重量而采用的高強度鋼越來越多，船舶結構變得越來越軟，船舶結構的應力及變形也越來越大，大型船舶結構的低周疲勞裂紋擴展問題顯得十分突出，成為大型化船舶發展中亟待解決的關鍵性問題.疲勞裂紋擴展速率受風、浪、流等變幅載荷之間的相互作用影響較大，其可能會產生加速或者遲滯，導致預測結果發生較大誤差，因此，研究常幅和拉伸過載下的疲勞裂紋擴展規律對于承受變幅載荷構件的疲勞壽命評估具有重要意義.

理論方面，Huang等[1]引入對稱循環載荷作用下等效應力強度因子的概念，提出改進的Wheeler模型表征變幅載荷作用下裂紋擴展規律，此預測模型主要依賴于應力比和裂紋尖端塑性區尺寸.Jiang等[2]提出了常幅循環下引入一個單峰過載的疲勞裂紋擴展預測模型，即虛擬裂紋退火模型，其過載引起的遲滯效應由裂紋閉合效應和塑性區尺寸表征.Hamam等[3-4]對于復雜載荷工況下提出了一個裂紋擴展預測的增量模型.沙宇等[5]通過彈塑性有限元和增量塑性損傷理論相結合，在Wheeler模型基礎上建立了變幅循環載荷下疲勞裂紋擴展速率預測模型，并建立過載后塑性區尺寸的計算方法，最后通過有限元對該模型進行驗證.試驗方面，大多數學者都是以緊湊拉伸試樣(CT)或者中心裂紋試樣(CCT)進行試驗研究，通過有限元模擬理論計算，再與實際試驗結果進行對比[6-8].Hammouda等[9-10]通過有限元分析得方法設計了三類對比試驗：等幅、單峰超載和連續單峰超載，并且在連續超載作用下試驗了不同超載比以及超載峰間距不同時的遲滯效應和裂紋擴展速率.有限元方面，李亞智等[11]基于塑性誘導閉合原理，運用彈塑性有限元法模擬了裂紋的擴展，并討論了疲勞裂紋閉合與殘余應力的作用以及過載對疲勞裂紋擴展的影響.張麗娜等[12-13]通過數值模擬單峰過載引起的殘余應力強度因子，并得到了單峰過載疲勞裂紋尖端區域殘余應力場.

文中以裂紋張開位移為基本參量，研究AH32標準緊湊拉伸試樣(CT試樣)在常幅和拉伸過載下裂紋擴展速率的變化規律.重點闡述了在基本循環中插入單個拉伸過載、雙次拉伸過載等情況下裂紋長度及裂紋張開位移隨裂紋擴展的分布規律.實驗結果表明，裂紋張開位移能很好的詮釋低周疲勞裂紋擴展規律，同時通過實驗結果分析發現過載載荷在裂尖前方和裂紋尾跡區引起的壓縮殘余應力是導致裂紋擴展遲滯的重要原因[14].

1 基本理論方程

傳統的疲勞裂紋擴展模型見式(1)，疲勞裂紋擴展速率由有效應力強度因子決定.

=C(ΔKeff)m

(1)

ΔKeff=Kmax-KOP

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

Nicholls[15]假定了一個計算裂紋擴展速率與COD關系式

=b(COD)1/p

(2)

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

文中擬用裂紋張開位移表征低周疲勞下CT試件的裂紋擴展規律.

2 實驗研究

2.1 實驗工裝及實驗材料

圖1給出了標準CT試件的各項參數，模型長度62.5 mm、寬度60 mm.實驗主要研究CT試件在裂紋擴展時各項行為變化.預置裂紋2 mm，裂紋擴展區域總觀察長度為38 mm.實驗中選用MTS疲勞試驗機，選取的最大外載荷范圍為35～40 kN，應力比R選取范圍0.2～0.5，過載比ROL選取范圍為1.1～1.3，實驗加載頻率為1 Hz.

圖1 CT試件模型實驗(單位：mm)

實驗材料采用AH32高強度船用鋼材，材料成分見表1.

表1 AH32高強度船用鋼材化學成分組成

實驗裂紋測量采用高精度裂縫測寬儀(見圖2)實時讀取裂紋擴展動態，見圖3.實驗所使用的裂縫測寬儀量程為4 mm、精度為0.02 mm.

圖2 裂縫測寬儀

圖3 裂縫測寬儀測量圖

2.2 裂紋擴展速率與疲勞壽命關系研究

裂紋擴展壽命曲線見圖4.

圖4 裂紋擴展壽命曲線

圖4b)顯示了應力比R=0.2，單過載峰(過載比分別為1，1.2，1.3)的一組實驗數據.R=0.2, Rol=1為常幅工況，對比單過載峰工況與常幅工況，易發現過載后CT試件的裂紋擴展壽命提高了.試件過載后存在裂紋擴展遲滯效應，過載載荷施加后，在裂尖區域產生一個大的塑性區，在循環載荷作用下塑性區不再擴大，裂紋擴展行為減緩.隨著循環次數的增加，過載遲滯效應逐漸減小，當循環加載次數達到一定程度所產生的塑性區超過過載所產生的范圍時，過載遲滯效應消失，裂紋繼續向前擴展.裂紋擴展過載比，也對裂紋的擴展壽命起到一定影響，過載比越大則過載遲滯效應降低，裂紋擴展壽命變短.在實際應用中取得適當的過載比對提高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展隨循環次數變化的情況.在第1 000次循環時，對試件施加第一次過載Rol=1.2，第二次施加過載載荷時刻分別是N=1 000，1 800，2 600次.對比圖4b)中Fmax=35kN，Rol=1.2/1.3單過載峰工況，容易發現施加雙過載峰可以延長CT試件的疲勞壽命，第二次過載峰的施加時間也影響著CT試件的疲勞壽命，第二次過載峰出現的越早疲勞壽命適當延長.當裂紋擴展的塑性區尺寸達到第一次過載所提供范圍后，裂紋擴展又回到常幅擴展工況，此時施加第二次過載峰，相當于在第一次過載后的常幅工況中施加過載，這也同時證明了過載的遲滯效應.

2.3COD與裂紋擴展壽命關系

針對COD與裂紋擴展壽命之間的關系問題，分別開展了相應的系列實驗研究.該部分研究了裂紋擴展過程中疲勞的兩項主要參數COD與da/dN(裂紋擴展速率)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參數的變化曲線.對比圖5a)與圖5b)可知，經過一次過載峰后，COD值為6 mm時刻出現了過載的遲滯效應，裂紋擴展速率降低，在循環載荷作用下提供的塑性區半徑未達到過載峰所提供的尺寸前COD不再增加，僅裂紋擴展速率逐漸增大直至超出過載提供的塑性區后，以常幅工況繼續增大，最終試件損壞.

對比圖6中的三條曲線，易發現在COD值為4 mm時第一次過載結束，試件進入第一次過載峰提供的塑性區中，同時裂紋擴展速率顯著下降，COD停止擴大.當裂紋擴展重新進入常幅擴展工況后，分別在不同時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次時的情況.可以超出第一次過載峰所提供的塑性區重新進入常幅工況后，第二次過載峰施加時間越早對裂紋擴展速率的減小作用越明顯，對延長CT試件疲勞壽命的作用也越顯著.

圖5 COD與裂紋擴展速率關系曲線

圖6 雙過載峰工況下COD與裂紋擴展速率關系曲線

3 結 論

1) 實驗研究對比了不同過載比下裂紋擴展特性.單過載峰工況下，越早施加過載峰對延長CT試件的作用越顯著，選擇適當過載比有助于增加裂紋擴展疲勞壽命.

2) 過載的遲滯效應不僅僅體現在單過載峰工況下，雙過載峰工況下裂紋擴展遲滯效應仍然存在；單過載峰的遲滯作用消失后，第二個過載峰作用越早對延長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.

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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

*國家自然科學基金項目資助(51479153)

TG146.21

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.026

余志鋒(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為結構安全性與可靠性分析