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16Mn钢疲劳裂纹扩展的实验研究
朱汉兴;李春植
【期刊名称】《钢铁研究》
【年(卷),期】1994()5
【摘要】实验发现，１６Ｍｎ钢在交变载荷作用下，裂纹尖端附近的碳原子沿应
力梯度方向向裂尖扩散，在裂纹尖端附近，原来的铁素体区域生成二次珠光体组织，疲劳裂纹在二次珠光体组织上扩展。
本文对此现象进行了分析，得到了有实际意义的结果。
【总页数】4页(P20-22)
【关键词】16Mn钢;疲劳裂纹扩展;研究
【作者】朱汉兴;李春植
【作者单位】华中理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG142.41
【相关文献】
1.16Mn钢焊接件疲劳裂纹扩展的微观特征研究 [J], 高艳丽;郭晓光;杨化仁
2.16Mn钢焊接件疲劳裂纹扩展特性研究 [J], 王国权;杨化仁
3.16Mn钢焊接件疲劳裂纹萌生与扩展机理研究 [J], 李金泉
4.16Mn钢海底管道材料疲劳裂纹扩展试验研究 [J], ZHANG Hengjing;SHAO
Yongbo;YANG Dongping
5.16Mn钢短裂纹疲劳扩展性能的试验研究 [J], 王维明;黄雨华;徐灏
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材料疲劳裂纹扩展研究综述摘要:疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。
论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。
总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型，并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。
发展相关理论和方法，正确认识影响机理，科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是人们追求的目标。
指出了常用理论的不足，对新的研究方法进行了论述。
关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展1 前言19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。
尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。
然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。
正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。
经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。
现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。
如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年) ，Elber的裂纹闭合理论(1971年) ，Wheeler 等的超载迟滞模型(1970年) ，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Sadananda和Vasudevan ( 1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。
本文将对其研究中存在问题、常用方法和理论模型、以及温度、载荷频率和应力比对疲劳裂纹扩展影响的研究成果和新近发展起来的相关理论进行介绍。
材料力学性能实验报告姓名：刘玲 班级：材料91学号：09021004成绩：实验名称 金属材料疲劳裂纹扩展门槛值测定实验目的了解疲劳裂纹扩展门槛值测定的一般方法和数据处理过程，增加对断裂力学用于研究疲劳裂纹扩展过程门槛值的作用和认识。
实验设备1）高频疲劳试验机一台 2）工具读数显微镜一台 3）千分尺一把4）三点弯曲试样一件试样示意图试验结果1. 测量试样尺寸。
在本次实验中，试样厚度B=12.50mm ，宽度为25.00mm 。
其他数据见附表“疲劳裂纹门槛测定数据”。
2. 疲劳裂纹扩展门槛值的计算 1） 近门槛值附近的da/dN近门槛值附近的da/dN 可用割线法处理数据，其表达式为：11d ()/()i i i i i da N a a N N ++=--（） （1-1）利用上式，可在a-N 曲线上计算连接相邻两个数据点的直线斜率。
2）△K由于计算的/da dN 是增量1()i i a a +-的平均速率，故平均裂纹长度1()/2i i a a ++只能用来计算K ∆的值。
思考题：分析讨论金属材料疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹门槛值测试原理和方法的异同答：1.相同点：1）均采用的是三点弯曲试样，且试样相同。
2）试验程序的前两部都为测量试样尺寸，预制疲劳裂纹。
3）裂纹扩展速率 da/dN和应力强度因子幅度∆K的处理方法相同。
4）在测量时都是以Paris公式作为数据处理的依据，或者说以疲劳裂纹扩展速率曲线的第二阶段为主要依据的。
2.不同点：1）测量疲劳裂纹门槛值时采用的加载方式是降K程序。
在力值比R不变的条件下，用自动或手动的降K程序来实现。
初始的应力强度因子范围可以选择等于或大于预制疲劳裂纹时最终△K值，以后随着裂纹的扩展而连续降力或分级降力。
而在研究疲劳裂纹扩展速率时的最大交变载荷为恒定值。
2）金属材料疲劳裂纹扩展速率试验主要是在裂纹扩展的第一阶段测定，而金属材料疲劳裂纹门槛值试验需要在裂纹扩展的第一、二阶段测定；3）试验程序不同，金属材料疲劳裂纹扩展速率试验有试样参数的选择和裂纹扩展长度的测量，而金属材料疲劳裂纹门槛值试验则不需要，只需降低 K程序；4）裂纹扩展速率的处理方法不同，金属材料疲劳裂纹扩展速率试验有割线法和递增多项式法，而金属材料疲劳裂纹门槛值试验只有割线法。
疲劳裂纹扩展门槛值的确定方法研究1. 引言疲劳裂纹扩展门槛值是指材料或结构在受到疲劳载荷作用下，裂纹开始扩展的临界条件。
研究疲劳裂纹扩展门槛值的确定方法对于预测和控制材料或结构的疲劳寿命具有重要意义。
本文将探讨疲劳裂纹扩展门槛值的确定方法及其应用。
2. 疲劳裂纹扩展门槛值的意义疲劳裂纹扩展门槛值是材料或结构在疲劳载荷作用下的抗裂纹扩展能力的表征。
它是预测和控制材料或结构疲劳寿命的重要参数。
准确确定疲劳裂纹扩展门槛值可以帮助我们评估结构的安全性，并制定合理的维修和检测策略。
3. 疲劳裂纹扩展门槛值的测定方法3.1 实验测定方法实验测定方法是研究疲劳裂纹扩展门槛值的常用方法之一。
通过在实验中对材料或结构施加疲劳载荷，并观察裂纹扩展行为，可以确定裂纹扩展门槛值。
常用的实验方法有裂纹扩展试验、准静态试验和动态试验等。
3.2 数值模拟方法数值模拟方法是研究疲劳裂纹扩展门槛值的另一种重要手段。
通过建立材料或结构的数值模型，并应用适当的疲劳损伤模型，可以模拟裂纹扩展过程并计算扩展门槛值。
常用的数值模拟方法有有限元法、离散元法和位错动力学模拟等。
4. 影响疲劳裂纹扩展门槛值的因素疲劳裂纹扩展门槛值受多种因素的影响，包括材料的力学性能、裂纹形态和环境条件等。
其中，材料的韧性、硬度和强度等力学性能对门槛值的确定具有重要影响。
此外，裂纹的形态参数如长度、深度和形状等也会对门槛值产生影响。
环境条件如温度、湿度和腐蚀等因素也会对门槛值的测定结果产生影响。
5. 疲劳裂纹扩展门槛值的应用疲劳裂纹扩展门槛值的准确测定可以用于评估材料或结构的疲劳寿命，并制定合理的维修和检测策略。
在航空航天、汽车和桥梁等领域，疲劳裂纹扩展门槛值的应用具有重要的工程意义。
通过控制裂纹扩展的速率，可以延长材料或结构的使用寿命，提高工程安全性。
6. 结论疲劳裂纹扩展门槛值的确定方法对于预测和控制材料或结构的疲劳寿命具有重要意义。
实验测定方法和数值模拟方法是研究疲劳裂纹扩展门槛值的常用手段。
第26卷第10期 2007年10月实验室研究与探索RESE ARCH AND EXP LORATI O N I N LABORAT ORYVol .26No .10 Oct .2007 特征构件疲劳裂纹扩展试验研究崔洪斌1, 曲先强1, 吕春雷1, 马永亮1, 张 杰1, 王长利2(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学材料学院,哈尔滨150001)摘 要:由于高强度钢在疲劳断裂过程中很难产生辉纹,给裂纹扩展的研究带来一定的困难。
本文在对接焊平板的疲劳断裂试验中,采用降载勾线法制造出“海滩状花纹”,借此对裂纹扩展过程中裂纹前缘形状和裂纹扩展速率进行分析,并与Ne wman 2Raju 公式的计算结果进行比较。
关键词:疲劳断裂试验;降载勾线;裂纹扩展中图分类号:T B302文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2007)10-0275-03Fa ti gue C rack Gr ow th Te sts of Typ i ca l ComponentsCU I Hong 2bin 1, QU X ian 2qiang 1, LV Chun 2lei 1, MA Yong 2liang 1, ZHAN G J ie 1, WAN G Chang 2li2(1.College of shi pbuilding engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.College of material science,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )Abstract:It is difficult for high strength steel t o p r oduce fatigue striati ons in the fracture p r ocess of fatigue,which brings difficulty f or the analysis of the appearance of the crack gr owth and fracture mouth analysis .A marking technique,in which the slightly s maller l oad was exerted on the s peci m ens t o p r oduce the beachmark,was adop ted in the p r ocess of fa 2tigue test .The mark was used t o define the appearance and the vel ocity of crack gr owth .The result of measure ment was compared with the calculating result using Ne wman 2Raju equati on .Key words:fatigue fracture test;marking technique;crack gr owthCLC nu m ber:T B302 D ocu m en t code:A Arti cle I D :1006-7167(2007)10-0275-03收稿日期:2007-05-111 引 言 随着高强度钢在工程结构中的广泛应用,高强度钢的疲劳性能越来越受到重视。
由于疲劳断裂的复杂性和随机性,疲劳断裂试验仍然是研究疲劳断裂现象的重要手段,而常见的高强度钢疲劳试验中很难产生辉纹,这给裂纹扩展前缘形状和不同阶段裂纹扩展速率的研究带来一定的困难。
针对某结构中的表面裂纹扩展问题,设计了对接焊角度平板上表面裂纹扩展试验,试验中采用降载勾线方法[123]制造出“海滩状花纹(beach mark )”,从而对裂纹的扩展前缘形状和扩展速率进行研究,并给出一定的结论。
2 表面裂纹扩展试验 本试验在MTS810试验机上进行。
采用两块160×80×20的板材,经过对接焊焊接成夹角10°的带角度平板试样,经过探伤检测合格后,打磨光,在试件上的焊趾部位垂直于试件轴线用铣刀加工预制窄缺口。
在试件的两端施加一定的轴向压力,使得预制缺口区域产生压弯组合应力。
由于试件不是标准试件[4],设计了特殊的夹具。
夹具采用线切割的方式加工凹槽,并把凹槽的底部和试件的两端加工成同样曲率的圆弧,这样使得试件受力更均匀且不附加约束弯矩,同时试验过程比较安全。
试验采用正弦波加载,加载频率1Hz 。
用读数显微镜监测试件表面的裂纹扩展。
在试件表面预制缺口与焊缝对称位置上粘贴应变片,通过应变仪来测量试件内外表面上的应力。
试验装置如图1图2:3 降载勾线法 由于看不到深度方向裂纹的扩展,对于平板上的表面裂纹,只能对裂纹沿表面方向的扩展进行监测。
而用读数显微镜观察表面裂纹时,不方便确定裂纹尖图1 试验装置图2 试件夹具安装示意图端的位置,这给读数带来一定的困难。
由于制造此构件所采用的材料的强度高,在进行疲劳试验时很难观察到疲劳辉纹,难以确定裂纹扩展过程中的前缘形状,给结果的分析增加了难度。
试验采用降载勾线的方法,即在等幅疲劳疲劳裂纹扩展中,先以试验载荷循环一定次数后,估计裂纹已经扩展,使试件所受到的压应力的均值保持不变,幅值减小到原来应力幅值的一半,继续循环若干次数。
依据经验判断裂纹稍扩展约011mm ,重新将载荷升回到试验载荷,至此即完成一次勾线,如此循环,直至试件断裂,在试件上就可看到清晰的疲劳裂纹扩展痕迹,即“海滩状花纹”。
如图3所示。
图3 降载勾线法产生的“海滩状花纹”4 断口分析 断口上勾线的测量采用间接测量的方法。
先用相机拍摄断口照片(含有标尺),导入CAD 软件里。
标注并测量长度,通过一定的比例换算得到实际的测量值。
由于软件的测量结果可以精确到小数点几位,并可放大标注。
这样可以减小在实际断口上测量引起的误差,并且对断口没有破坏作用。
测量结果见表1。
表1 断口上“海滩状花样”的测量结果第一条勾线第二条勾线第三条勾线a /mm 4.500176 6.3646797.43454c /mm9.24197511.9210414.30088 Ne wman &Raju 提出表面裂纹沿深度方向和长度方向扩展遵循如下规律,用Paris 公式表示为[5]:d a d N=C A (ΔK A )md c d N=C C (ΔK C )mC C =019mC A(1)对于有限尺寸平板上的半椭圆形表面裂纹应力强度因子的计算,一般认为Ne wman 2Raju 公式是比较好的经验公式[6]。
表示如下:K 1=(σ0+Hσb )πa<F a c ,a t ,2c w,φ(2)采用以上公式编写了利用迭代方法计算的For 2tran 程序,假定a 的扩展增量为010001mm ,计算需要的载荷循环次数,并用得到的载荷循环次数计算c 的扩展增量,以此来模拟表面椭圆形裂纹的形状。
计算结果和实际断口采用降载勾线法得到的“海滩状花样”的测量数据进行比较。
结果见表2。
表2 计算结果与试验结果比较计算结果测量误差a /mmc /mmNc /mmNc /%N /%7.43454613.5128714771.2214.30088177045.5102216.565636.36470511.479529079.85411.92104100333.7037049.500115 结 语 降载勾线法对高强度钢的疲劳裂纹扩展的试验研究有着重要意义,通过降载勾线法,可以成功的在高强度钢上制造出“海滩状花纹”,如图2所示。
通过对该花纹的研究,可以清楚的发现疲劳裂纹扩展过程中的裂纹前缘形状,计算不同阶段的裂纹扩展速率。
对试件上的表面裂纹进行裂纹扩展分析可以发现,利用“海滩状花纹”进行的分析具有较高的准确度,可以用于疲劳裂纹扩展试验数据的整理。
(下转第306页)3 拉伸夹具吊装技术311 拉伸夹具吊装过程中的问题在我们引进MTS810设备后,每次安装拉伸夹具时都比较费时费力,而且安全隐患很大。
因为一个夹具有150斤左右,需要几个小伙子才能搬动,要让它对正并旋紧,就更加困难了,而且安全隐患很大,在下夹具旋进旋出的瞬间,很容易发生偏倒,砸伤搬动人员。
312 解决措施我们设计了一个吊钩(如图2所示),由锲块、铁钩和两件连接轴(阶梯轴)组成,连接轴可以在锲块上自由旋转。
在安装下夹具时,先将吊钩置于上下夹具之间,移动横梁将下夹具吊起,用一个较小的压力值(压力值太大会导致下夹具往上移动太快,使吊钩太松弛,下夹具容易发生倾倒)来控制动作筒往上移动,使装在动作筒上的螺杆和下夹具接触,旋紧下夹具,就可以轻松将下夹具安装上(如图3所示)。
撤卸下夹具时,同样也是先把下夹具吊住,用一个较小的拉力值控制,旋松下夹具,直至旋出。
图2 吊钩 可以看到,整个装卸过程中操作人员只需要稍微扶持一下下夹具,就可轻松将下夹具旋进旋出,大大减图3 高温拉伸下夹具的吊装少了安装过程的安全隐患。
4 结 语通过对试验过程中产生的一些问题的分析,我们提出了相应的解决办法,保证了MTS 材料试验机正常的工作,提高了我们的服务水平。
力学和机械工程系博士研究生宫旭辉同学参与了高温炉温度标定工作,在此表示感谢。
参考文献(References):[1] Model 793110MultiPur pose Test W are,M innes ota [Z ].MTS System sCor porati on,US A ,2003.[2] G B /T 4338—2006 金属材料高温拉伸试验方法[S].北京:中国标准出版社,2007.(上接第276页)参考文献(References):[1] 徐小兵,周鹤法,张晓东.抽油杆表面横向裂纹扩展试验研究[J ].石油机械,1996,24(12):20222.[2] 石惠宁,姚卫星,丁建东,等.抽油杆疲劳裂纹的超声检测与形貌观察研究[J ].无损探伤,2005,29(1):12216.[3] 李国义,魏嘉荃,钟伯明,等.动态监测疲劳裂纹扩展[J ].大庆石油学院学报,1995,19(1):90294.[4] 中华人民共和国国家标准G B /T 6398—2000,金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法[S].[5] Newman J C,Raju I S .An emp irical stress 2intensity fact or equati onf or the surface crack[J ].Eng .Fracture Mechanics,1981,15(2):1852192.[6] Newman J C,Raju I S .An analysis of surface crack in finite p latesunder tensi on or bending l oads[J ].NAS A TP1578,Dec .,1979.。
