疲劳裂纹的亚临界扩展

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。

疲劳破坏机理1、定义材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。

材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。

这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。

疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。

2、疲劳裂纹萌生机理金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。

通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。

如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。

因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。

构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。

随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。

这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。

在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。

从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。

随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。

3、疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。

在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45 度方向。

在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。

其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。

此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面（最大拉应力面）内扩展。

疲劳裂纹的亚临界扩展1.疲劳裂纹的亚临界扩展弹簧的断裂都是有裂纹引起的，然而裂纹尖端附近的应力场对裂纹的静止、平衡和发展都有直接的影响。

当弹簧在承受静载荷的情况下，只要其工作应力小于其临界应力，弹簧在静应力水平下工作就是安全而且可靠的，除非在工作应力≥临界应力情况下，弹簧才会发生脆性破坏。

但是弹簧在承受交变应力的情况下，有时即使是在很低的应力状况下进行工作，都会出现弹簧疲劳断裂的情况。

这是因为当弹簧中有初始裂纹时，它就会在交变应力的作用下发生缓慢的扩展，当其扩展到一定状态时，弹簧就会发生断裂。

裂纹从其初始值扩展到临界值的过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展，也就是宏观裂纹的剩余寿命阶段。

2.弹簧脆性断裂是什么弹簧在工作时所承受的应力大致有两种情况：静应力和变应力。

这两种不同的应力作用在弹簧上时，它们会产生两种完全不同的力学性能。

弹簧受静应力所产生的破坏叫做塑性变形或者是叫做脆性断裂。

然而零件或材料受变应力的破坏则叫做疲劳断裂。

3.弹簧疲劳断裂是什么弹簧在工作时所承受的应力大致有两种情况：静应力和变应力。

这两种不同的应力作用在弹簧上时，它们会产生两种完全不同的力学性能。

弹簧受静应力所产生的破坏叫做塑性变形或者是叫做脆性断裂。

然而零件或材料受变应力的破坏则叫做疲劳断裂。

4.弹簧变应力的类型弹簧变应力的类型分为稳定性循环变应力、不稳定循环变应力、随机变应力。

稳定性循环变应力：弹簧每次循环中，最大幅值和最小幅值都不随时间变化的变应力。

不稳定循环变应力：弹簧每次循环中，最大幅值和最小幅值都随时间变化的变应力。

随机变应力：不呈现出周期性变化，而且带有偶然性的变应力。

5.弹簧材料的疲劳极限一般情况下，材料疲劳性能试验所用的小尺寸光滑圆柱试件是标准试件。

通过材料的基本S-N曲线，我们可以看到它所展示的是在恒幅对称循环应力的作用下光滑材料的裂纹萌生寿命。

在应力比一定的情况下，对一组标准试件施加不同应力幅进行试验，记录其相应疲劳寿命，就可以得到S-N曲线。

第37卷增刊1大　连　理　工　大　学　学　报Vo 1.37,Suppl .11997年8月Journa l of da l i an Un iversity of technology Aug .1997疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程Ξ吴智敏　宋玉普　赵国藩　黄承逵 董　超33(大连理工大学土木工程系　116024)摘要　采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入劈拉试件研究了在等幅重复荷载作用下砼裂缝的亚临界扩展过程.结果表明,砼在疲劳破坏前,裂缝存在着明显的亚临界扩展,其扩展长度约为65mm .裂缝扩展速率d a d N 符合Paris 公式.关键词:混凝土;疲劳;裂缝扩展分类号:TU 502.6;TU 375 砼是一种多相的复合材料;其断裂机理十分复杂,尤其对疲劳荷载作用下的裂缝扩展知之更少.许多学者认为,砼是脆性材料,裂缝一经起裂便失稳破坏,不存在所谓的“亚临界扩展过程”.针对这一问题,文献〔1〕采用最大尺寸为3.6m ×3.0m ×0.2m 的巨型紧凑拉伸试件,采用光弹贴片、电阻应变片等测试手段,研究了砼裂缝的亚临界扩展过程.结果表明,砼在失稳破坏前,存在很大的亚临界扩展;当试件高度h >1.0m 时,亚临界扩展量∃a c 达200mm .然而,在疲劳荷载作用下砼裂缝是否存在亚临界扩展阶段,扩展长度有多大,这在国内外均很少研究.文献〔2～4〕采用三点弯曲梁法研究了砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程,证实了砼在疲劳荷载作用下裂缝存在亚临界扩展;其扩展规律符合Paris 公式.图1　试件型式本文采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入劈拉试件,采用柔度标定法测得了砼疲劳裂缝扩展长度,并与光弹贴片法作了比较.1砼楔入劈拉试件静载试验结果及柔度标定1.1　试件制作及砼配合比根据试验目的,采用如图1所示的楔入劈拉试件;其编号及尺寸等见表1.试件均采用同一配合比,水泥∶砂子∶石子∶水=1.00∶1.73∶3.01∶0.52.水泥采用大连水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥,砂为河砂,粗骨料为Ξ国家自然科学基金青年基金资助项目(2.59209084)33　现在大连民建设计院工作　收稿日期:1997206202;修订日期:1997207210　吴智敏:男,1963年生,副教授石灰岩碎石;一级配.试验时测得其立方体抗压强度(150mm ×150mm ×150mm )为30.44M Pa ,劈裂抗拉强度为2.35M Pa ,弹性模量为25.5GPa .表1　试件参数及柔度标定试件编号l ×h ×t :mm ×mm ×mm a 0 h C 10-6(mm ・N -1)P m ax kN K I C (M Pa ・m -1 2)n ST 120×20×200.21.965116.200.92944ST 220×20×200.33.566113.910.97494ST 320×20×200.46.919712.271.08454ST 420×20×200.515.67367.570.880041.2　楔入劈拉试件柔度标定及静载试验结果静载试验均在5000kN 压力试验机上进行,用X 2Y 记录仪自动记录荷载2位移曲线.荷载传感器采用型号为BL R 21 5000拉压式,测量范围为0～50kN ;裂缝口张开位移CM OD 采用M T S 公司生产的夹式引伸仪测量,测量范围为0～4mm .试验时测得的P 2CM OD 曲线见图2.图2　各组试件的P 2CM OD 曲线图3　柔度标定曲线对图1所示的楔入劈拉试件,断裂韧度K I C 由下式计算:K I C =3.675(1-a 0 h )-3 2P m ax t h (1)其中:P m ax 为最大水平荷载;P m ax =1.866P v m ax ,P v m ax为最大垂直荷载.静载试验所测得的最大荷载P m ax 、弹性柔度C 及断裂韧度等值见表1.图3为柔度标定曲线.2　砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程 疲劳试验均在M T S 疲劳机上进行;试验频率为1H z ,加载波形为正弦波,荷载控制.加载时的最大荷载为0.7P m ax ,最小值为0.07P m ax .64S 大连理工大学学报 第37卷　试验中实测的试件柔度及裂缝长度随疲劳次数N 的变化见图4和图5.图6为当N =500时光弹贴片观测结果.图4　试件柔度随疲劳次数的变化图5　砼裂缝长度随疲劳次数的变化图6　光弹贴片观测结果从图中可以发现,在疲劳荷载作用下,砼试件的柔度及裂缝扩展量的变化规律大致可分为三个阶段:第一阶段,试件柔度及裂缝扩展较快,随后增长速率逐渐降低;这一阶段占总疲劳寿命的10%左右.第二阶段,试件柔度及裂缝扩展量随疲劳次数的增加基本上呈线性增加;这一阶段约占总疲劳寿命的70%左右.进入第三阶段后,砼裂缝扩展很快,导致失稳断裂.从a 2N 曲线上还可以发现,当试件即将破坏时,裂缝的亚临界扩展量∃a c 约为65mm .因此,在疲劳荷载作用下砼也是经过裂缝的稳定扩展,然后失稳破坏.3　砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展速率 文献〔2〕认为,当忽略砼裂缝扩展的第一阶段时,其扩展速图7　lg (d a d N )2lg ∃K 关系曲线率d a d N 亦符合Paris 公式:d a d N =C (∃K )n (2)式中:∃K 为应力强度因子幅度,∃K =K m ax -K m in ;C 、n是由材料决定的常数.因此,可以从试验得出的a 2N 曲线上求得d a d N ,并根据此时的a h 求得∃K ,从而得到d a d N 2∃K 曲线.若对式(2)两边取对数,得lg (d a d N )=lg C +n lg ∃K(3)将试验得出的lg (d a d N )及∃K 画于同一坐标系(图7),根据线性回归可得n =7.4,lg C =-2.9,相关系数R =0.94.因此砼疲劳裂缝扩展速率可表示为d a d N =1.2589×10-3(∃K )7.84(4)4　结 论 1)在疲劳荷载作用下,砼裂缝存在较长的亚临界扩展阶段.74S 增刊1 吴智敏等:疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程2)采用柔度标定法可理想地测定疲劳裂缝的亚临界扩展长度.3)砼疲劳裂缝扩展速率d a d N 符合Paris 公式.参　考　文　献1　徐世火良,赵国藩.大型试件断裂韧度和高混凝土坝裂缝评定的断裂韧度准则.土木工程学报,1991,24(2):1～92　吴智敏,赵国藩,黄承逵.混凝土疲劳断裂特性研究.土木工程学报,1995,28(3):59～653　Baz εan t Z P ,Xu Kangm ing .Size effect in fatigue fractu re of concrete .AC IM a ter J ,1991,88(4):472～4784　Bazεan t Z P ,SchellW F .Fatigue fractu re of h igh 2strength concrete and size effect .AC IM a ter J ,1993,90(5):390～399Crack propaga tion of concrete under fa tigue load i ngW u Zh i m in ,Song Yup u ,Zhao Guofan ,H uang Chengku i ,Dong Chao(D ep t .of C ivil Eng .,D alian U n iv .of T echno l .,Ch ina )Abstract T he w edge sp litting test sp eci m en s w ith the size 200mm ×200mm ×200mm are u sed to study the crack p rop agati on of concrete under fatigue loading .R esu lts show that there is obvi ou s stab le crack p rop agati on in concrete befo re fatigue failu re and the p rop aga 2ti on length is app rox i m ately 65mm .T he crack p rop agati on rate d a d N of concrete fo llow s Paris’law .Key W ords :concrete ;fatigue ;crack 84S 大连理工大学学报 第37卷　。