介紹力學(xué)大會(huì)2015集ms1742

王俊東，何許，姚堯*（西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安710072，Email現(xiàn)廣變變論疲裂擴(kuò)理紋擴(kuò)論發(fā)過(guò)慮錯(cuò)留滑移帶PSB積理勞紋勞紋勞紋鋼行所論論的和較引金屬材料的疲勞問題主要包括疲勞裂紋的萌生以及擴(kuò)展兩個(gè)過(guò)程。疲勞裂紋萌生的預(yù)測(cè)模型目前主要由基于大量實(shí)驗(yàn)的唯象法和基于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)測(cè)萌生壽命的理論方法1]。而前者需要依靠大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且沒有從本質(zhì)上闡明裂紋萌生的細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理。而大量的實(shí)驗(yàn)和研究表明，裂紋萌生通常發(fā)生在駐留滑移帶（SB）上，并且在晶粒尺度范圍夾雜等因素都會(huì)影響疲勞裂紋[]。改進(jìn)裂紋萌生在孔洞或夾雜情況下的理論模型[4-6]。1999年，F(xiàn)ineet但是Yo的模型中假定了裂紋初始萌生半徑為250nm紋萌生的臨界尺寸與觀測(cè)手段和裂紋萌生的定義有關(guān)顯然對(duì)于同一種材料的不同加載條件或者不同材料而紋細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)過(guò)考慮裂紋萌生的本質(zhì)慮位錯(cuò)偶極子在PS上不斷累引起微裂紋傳統(tǒng)的相變理論中引入單位循環(huán)內(nèi)累積的位錯(cuò)紋半徑的關(guān)進(jìn)現(xiàn)裂紋萌生預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)擬結(jié)果比原有模型更加接近實(shí)驗(yàn)

其中f表示有效因數(shù)（由疲勞引起的有效缺陷）；t表示裂紋萌生時(shí)，缺陷完全轉(zhuǎn)化為裂紋的兩側(cè)的總N*表示裂紋形核時(shí)的臨界循環(huán)σ表示疲勞循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力變化范圍；εp表示疲勞循環(huán)過(guò)程中塑性應(yīng)變的變化范圍。2W2 1）Theprojectwassupportedby 其中σ表示循環(huán)過(guò)程中的最大應(yīng)E表示材料的彈性模量；υa表示三維a [3]可以表示為

B

32

2W 當(dāng)疲勞裂紋萌生時(shí)，自由能W達(dá)到極值

W

22 3ftπNbρeσεp

從而可以得到疲勞裂紋的萌生壽命N*

由于（7）式是關(guān)N的三次函數(shù)，為保證裂紋萌生時(shí)體系自由能處于極大值極值

22 位錯(cuò)數(shù)，當(dāng)λ10時(shí)表示反向加載后位錯(cuò)累計(jì)為零，既不會(huì)形成裂紋λ11

N

N*

3%Si合金鋼[4]、A10結(jié)構(gòu)鋼[13]、A336GR5結(jié)構(gòu)鋼[14]、A387為了簡(jiǎn)化分析，計(jì)算采用理想情況下（λ11）的三維幣形裂紋（λ21）的關(guān)系式（9） 所采取的數(shù)據(jù)針對(duì)較高應(yīng)變振幅（ε2.5103、ε5103、ε7.510 ft2.5109，與文獻(xiàn)[10]ft2.4109接近。而文獻(xiàn)[4]中所給出的兩種模型為

ft4.8109。文獻(xiàn)[4]中所用到的兩個(gè)模型對(duì)疲勞裂紋萌生時(shí)間的預(yù)測(cè)都具有一定的偏3%Si合金鋼在較高應(yīng)變振幅下的裂紋萌生時(shí)間能夠較好的預(yù)測(cè) non關(guān)系對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合見圖2過(guò)環(huán)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)滑移帶上累計(jì)的位錯(cuò)紋萌生所需的時(shí)間相應(yīng)對(duì)疲勞裂紋萌生數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)進(jìn)后的相變理論模型對(duì)A1結(jié)構(gòu)鋼的疲勞裂紋萌生數(shù)據(jù)能夠較好的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的材料參數(shù)ft2.5109經(jīng)典的in-ft1.3108。說(shuō)明改進(jìn)后的相變理論模型對(duì)于A10結(jié)構(gòu)鋼在一定應(yīng)力振幅（σ350~530Mpa）下的裂紋萌生時(shí)間能夠較好的預(yù)測(cè)。不同模型對(duì)于A336GR5文獻(xiàn)[14]采用A理論及經(jīng)典的裂紋萌生數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度上來(lái)看，改進(jìn)后的相變理論模型對(duì)A336 一定偏差，對(duì)ft，采用改進(jìn)后的相變理論擬合的結(jié)ft2.2109，而原有相變理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果是ft2.7108。不同模型對(duì)于A387GR22文獻(xiàn)[14]采用 理論及經(jīng)典的non關(guān)系對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合見圖4過(guò)環(huán)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)滑移帶上累計(jì)的位錯(cuò)紋萌生所需的時(shí)間相應(yīng)對(duì)疲勞裂紋萌生數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)種模型對(duì)裂紋萌生時(shí)間的預(yù)測(cè)均不進(jìn)后的相變理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)誤差相對(duì)經(jīng)典的offin-的結(jié)果是ft1.8109，而原有相變理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果是ft7.4109。 裂紋萌生數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)并不理想，對(duì)于材料參數(shù)ft，采用改進(jìn)后的相變理論擬合的結(jié)果是ft2.2109，而原有的相變理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合所得的結(jié)果是ft2.0108。 對(duì)于改進(jìn)后的相變理論預(yù)測(cè)裂紋萌生時(shí)間(9)式，除了參數(shù)ft以外，每一項(xiàng)都具有明確的物理意義，而根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述，ft通?？梢砸暈橐粋€(gè)與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于不同的材料，ft的數(shù)值變化較大。通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，本文對(duì)改進(jìn)前后相變理論對(duì)ft的擬合值進(jìn)行比較，所得結(jié)果見圖6。通過(guò)分析可知，對(duì)于不同材料，原有的相變理論通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合所得ft離散程度較大（最大：A ft2.7108，最?。篎e-3%Sift4.8108），而改進(jìn)后的相變理論通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬ft離散程度很?。? ft2.5108，最 ft1.8108），基本在ft2.2109上下浮動(dòng)。同時(shí)注意到本文所采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是能夠較好的吻合，同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了一個(gè)接近常數(shù)的材料參數(shù)ft值，說(shuō)明ft與材料的性質(zhì)有關(guān)，并且對(duì)于組成成分相近的同類ft的取值相差不大。最終得到一ManJ.Extrusionsandintrusionsinfatiguedmetals.Part1.Stateoftheartandhistory.2009,89:1295-KwaiSC.Rolesofmicrostructureinfatiguecrackinitiation.InternationalofFatigue,2010,32:1428- TanakaK,MuraT.Adislocationmodelforfatiguecrackinitiation.fatiguedamagemodel.JournalofAppliedMechanics，1981，48：97-103LinMR,FineME,MuraT.Fatiguecrackinitiationonslipband:theoryandexperiment.Actametall,1985,34:619- TanakaK,MuraT.Atheoryoffatiguecrackinitiationatinclusions.MetallurgicalTransactionsA,1981,13A:117-MuraT,NakasoneY.Atheoryoffatiguecrackinitiationinsolids.JournalofAppliedMechanics，1991,57:1-66YaoY,HeX,KeerLM,FineME.Acontinuumdamagemechanics-basedunifiedcreepandplasticitymodelforsoldermaterials.ActaMaterialia，2015，83:160- FineME,StolkartsV,MP,KeerLM.Fatiguecracknucleationassistedbythermalactivation.MeterialsScienceand1999,A272:5-FineME.PhasetransformationtheoryappliedtoelevatedtemperatureFatigue.Scriptamater,2000,42:1007- YaoY,FineMe,KeerLM.Anenergyapproachtopredictfatiguecrackpropagationinmetalsandalloys.InternationalJournalofFracture,2007,146:149-158BhatSP,FineME.Fatiguecracknucleationinironandahighstrengthlowalloysteel.MaterialsScienceand2001,A314:90-ChabocheJL.Constitutiveequationsforcyclicplasticityandcyclicviscoplasticity.InternationalJournalofPlasticity,1989,5(3):247-302PragerW.Anewmethodofanalyzingstressesandstrainsinwork-hardeningplasticsolids.JournalofAppliedMechanics,1956,23(4):493-496SochaG.Experimentalinvestigationsoffatiguecracksnucleation,growthandcoalescenceinstructuralsteel.JournalofFatigue,2003,25:139-SochaG.Predictionofthefatiguelifeonthebasisofdamageprogressratecurves.InternationalJournalof2004,26:339-AphasetransitionapproachtopredictfatiguecrackinitiationinmetalsandWANG He Yao(1,2NorthwesternPolytechnicalUniversity,MechanicalandCivilEngineering,Xian,710072,AbstractMetallicmaterialswillproducedefectsundercyclicloading,whileaccompaniedbyinternalenergychange.Thechangeininternalenergycausesfatiguecrackinitiationandpropagation.Mostofthemethodsusedtopredictedfatiguecrackinitiationareempiricalmethodsorsemi-empiricalmethodswhichbasedonnumerousexperimentaldata,andlacktheoreticalbasis.Butthechangeindefects,crackinitiationandgrowtharealsoexamplesofphasetransformations.Manyconceptsinphasetransformationscanbeappliedtofatiguecrackinitiationandpropagation.Thispaperusedmicromechanicstoconsideredthedislocationdipolesaccumulatedonpersistentslipbands(PSBs)whenmetallicmaterialsundercyclicloading.Anewenergymethodbasedonphasetransformationstheoryisappliedtopredictedfatiguecrackiniti