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科研进展
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单调与循环载荷作用下晶界成穴式蠕变裂纹扩展
发表时间:2018-02-08 阅读次数:577次

        航空发动机、燃气轮机等高温服役部件,通常承受变化的机械和热载荷,如何准确地预测服役寿命和估计安全维修间隔,是充满挑战的课题。对于高温交变载荷共同作用下的破坏问题,尤其是蠕变-疲劳断裂,现有研究大多集中在高温循环载荷下的裂纹扩展实验方面,而对于多晶体金属裂纹扩展的理论与建模研究主要采用了纯唯象的应变累积损伤模型。

        在研究方法上,若采用基于微观力学的蠕变本构关系,将蠕变变形和晶界成穴损伤相耦合,通过全面考虑晶界孔洞演化的物理机制,或许能获得更为精准的预测结果。此时,裂纹扩展的主要控制机制为晶界孔洞的形成、长大与合并,而晶界孔洞演化主要受位错蠕变和晶界扩散控制。

        本研究基于有限变形理论的有限元计算,分析了在时间相关载荷和小范围蠕变条件下的裂纹扩展特性。研究探讨了载荷历史参数,如应力强度水平、加载速率、保载时间等对蠕变-疲劳裂纹扩展行为的影响。主要结论如下:

        (1) 单调与循环载荷下的裂纹扩展速率均随外加应力强度因子的增大而显著增大;在小范围蠕变条件下,循环载荷下的裂纹扩展速率相对单调加载更容易达到稳定状态。

        (2) 材料参数不变,且循环载荷下应力强度因子最大值与单调载荷相同,循环载荷下的裂纹扩展速率较高,这与循环载荷下应力松弛的中断以及再加载过程中引入的高应力水平有关。

        (3) 在研究的加载频率内,对于给定的最大施加应力强度因子,裂纹扩展速率随着最小/最大施加应力强度因子之比的增大而减小,随着循环载荷频率的增大而减小。

        (4) 高温循环载荷下的裂纹扩展速率仍遵循Paris定律。Paris公式指数随着保载时间的增长而增大,与蠕变指数大小几乎无关。

 

 

论文信息:Jian-Feng Wen, Ankit Srivastava, Amine Benzerga, Shan-Tung Tu, Alan Needleman. Creep crack growth by grain boundary cavitation under monotonic and cyclic loading. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2017;108:68-84.