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科研进展
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2024-T4铝合金疲劳裂纹扩展的实验研究和数值模拟
发表时间:2015-11-06 阅读次数:1808次

        交变载荷引起的疲劳断裂是承载构件最重要的一种失效形式,通常包含疲劳启裂、稳定扩展和失稳断裂三个阶段,构件的疲劳寿命主要消耗在疲劳启裂与稳定扩展两阶段。通过细致的实验工况设计,详细研究应力比、高低变幅加载以及单个拉伸过载对疲劳启裂与裂纹扩展行为的影响,获取一些有价值的基础实验数据,对于承载构件的抗疲劳设计和剩余寿命评估具有非常重要的意义。Paris公式及其扩展形式虽然能够较好地描述疲劳裂纹扩展速率与有效应力强度因子之间的定量关系,但它仅仅是一个拟合实验数据的唯象模型。因此,建立一种只依赖于基本材料常数的疲劳裂纹扩展速率预测模型,具有非常重要的学术价值。

        论文采用紧凑拉伸试样,实验研究了2024-T4铝合金在恒幅、高低变幅和拉伸过载三种工况下的疲劳启裂与裂纹扩展行为,并提出了一种预测疲劳裂纹稳定扩展速率的统一模型。研究得到的结论如下:

        (1) 恒幅加载下,2024-T4铝合金的疲劳裂纹扩展速率表现出明显的应力比效应;以有效应力强度因子为裂纹扩展驱动力的Paris公式,可以较好地描述疲劳裂纹扩展速率的应力比效应。

        (2) 恒幅加载中引入的单个拉伸过载可以极大地迟滞疲劳裂纹扩展,在过载比较大时观测到了疲劳裂纹短暂的加速扩展现象。

        (3) 高低变幅加载时,若两个连续加载步的R相同而DP不等,则疲劳裂纹扩展迟滞程度随着第二个加载步DP的增大而加剧;若两个连续加载步的Pmax相同而R不等,则疲劳裂纹扩展迟滞程度随着第二个加载步R的增大而减弱。

        (4) 在疲劳裂纹尖端区域的循环塑性变形较大的情况下,论文建立的疲劳启裂与裂纹扩展统一模型可以很好地预测实验结果。

 

论文信息:Wang C, Wang X, Ding Z, Xu Y, Gao Z. Experimental investigation and numerical prediction of fatigue crack growth of 2024-T4 aluminum alloy. International Journal of Fatigue 2015;78:11-21.