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背景简介

本研究探究了球墨铸钢S355和铸铁EN-GJS-500-14的多轴疲劳行为，测量疲劳寿命和裂纹萌生方向，评估了三个临界平面模型，用于预测疲劳寿命和裂纹萌生角度。虽然所有模型在预测疲劳寿命方面都取得了相当大的准确性，但裂纹萌生角度预测不太令人满意。疲劳寿命质量与裂纹取向预测之间存在弱相关性，特别是对于Smith-Watson-Topper（SWT）和Fatemi-Socie（FS）模型。SWT 模型在预测铸铁的疲劳寿命和裂纹角度方面表现更好，而FS模型对S355的精度更高。短裂纹模型（SC）提供了最佳的整体疲劳寿命预测，但裂纹取向估计并不准确。

成果介绍

（1）作为裂纹萌生标准，选择10%的应力降。随后对裂纹进行拍摄，并从图片中测量这些初始裂纹的方向。为了确定图像的方向，首先对准试样和相机，以便在图像中心可以看到裂纹区域。然后，在图像上沿试样的两个边缘对齐两条线。这些线表示轴向（φ=90°)，然后使用轴向的线来创建圆周方向的线 （φ=0°）。现在，裂纹也由一条直线近似，并测量0度线与裂纹之间的角度。遗憾的是，并非所有试样都可以被分析，许多试样变形严重，在测试后无法确定裂纹萌生的明确位置。图1和图2是纯扭转和比例载荷下的例子。

图1 在纯扭转作用下，（a）GJS和（b）S355的裂纹萌生方向测量

图2 在比例载荷下，（a）GJS和（b）S355测量的裂纹萌生方向

（2）三种模型的计算疲劳寿命与实测疲劳寿命的比较如图3、4、5所示。计算出的疲劳寿命为N_calc，测得的疲劳寿命为N_exp。厚实心等分线代表了完美的疲劳寿命预测。细实线和虚线表示计算和测量的疲劳寿命的偏差系数为三倍和十倍。材料按颜色分开，蓝色标记表示球墨铸钢 S355 的结果，黄色标记表示铸铁 GJS 的结果。标记的形状表示路径在实验中所使用的加载路径。对于铸铁GJS，使用FS模型计算的结果显示，与理想等分线的偏差较高，但疲劳寿命的预测值偏低。使用SWT或SC模型计算的几乎所有疲劳寿命结果基本落在3被误差带内。由于SC模型可以很好地预测两种材料的疲劳实时性，因此它总体上显示出最低的散射（T=8.62）。所有模型的中位数都接近理想值m=1,对于FS和SC模型尤其如此。平均而言，SWT模型高估了疲劳寿命约2倍。

图3 使用SWT模型与测得的疲劳寿命进行对比计算的疲劳寿命

图4 使用FS模型与测量的疲劳寿命进行对比计算的疲劳寿命

图5 使用SC模型与测得的疲劳寿命进行对比计算的疲劳寿命

（3）预测裂纹萌生方向与测量裂纹萌生方向之间的比较如图6、7、8所示。在纵坐标上绘制了裂纹方向，而横坐标则表示各个实验。各个实验结果的命名方案基于以下标准：第一个标识符是材料的名称，第二个标识符是加载路径的名称，最后是单个测试的数量，测得的裂纹方向以黑点形式给出。模型的可能裂纹取向的预测范围被绘制为各个实验的柱线。结果表明，疲劳寿命预测的质量与裂纹取向的预测之间存在弱相关性。这在SWT和FS模型中尤为明显。SWT模型为GJS提供了更好的疲劳寿命和裂纹角预测。使用FS模型，S355的疲劳寿命和裂纹萌生角的计算精度都更高。SC模型提供了疲劳寿命的最佳总体预测，但在计算裂纹取向方面并不优于其他两个模型。

图6 测量的裂纹角和使用 Smith-Watson-Topper （SWT） 模型计算的裂纹角的比较。图中（a）是GJS的结果，（b）中是S355的结果

图7 测量的裂纹角和使用 Fatemi Socie （FS） 模型计算的裂纹角的比较。图中（a）是GJS的结果，（b）中是S355的结果

图8 测量的裂纹角和用短裂纹模型（SC）计算的裂纹角的比较。图中（a）是GJS的结果，（b）中是S355的结果

致谢

作者衷心感谢德国联邦经济事务和气候行动部（Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz， BMWK）根据德国联邦议院通过AiF（Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke， e.V.）的决定提供的支持。研究项目“Anwendungsgerechte Lebensdauerabschätzung für mehrachsig nichtproportional beanspruchte Bauteile auf Basis des Örtlichen Konzepts”，由研究协会 FKM （Forschungskuratorium Maschinenbau e.V.） 在 IGF 项目编号下支持。

本文第一作者、通讯作者：Jan Kraft（Technical University of Darmstadt ）。

本期小编：刘尧风（整理）

姚辰霖（校对）

王康康（审核）

王永杰（发布）