复合型疲劳裂纹转型扩展规律及机理研究

Mixed mode fatigue crack usually transfers to mode I in propagation.Though the transfer process may be related to material properties, the transfer phenomenon seems independent of the material or in other words, it is inevitable in mechanics and thermodynamics. The purpose of this research is to reveal the behaviors and mechanisms of the mixed mode fatigue crack transfer propagation, which will contribute to the theory of fracture mechanics. To achieve this, experiments for I+II and I+III mixed mode fatigue crack propagation will be carried out using different cruciform specimens with different tilted cracks made from different materials. Numerical simulations are also performed to calcualte the stress intensity factors at the crack tips during the propagation process. Based on the experimental and numerical results, crack mode transfer rate and propagation rate will be obtained which determines the transfer process for a given material. Metallographic and fractographic analyses will also be performed to study the effects of material properties and crack mode components. Based on the interaction of dislocations and cracks, dislocation emission and annihilation process from mixed crack tips will be simulated. Plastic zone and dislocation-free zone in front of the crack tips will be studied. Residual plastic zone and dislocation-free zone under fatigue loading will be defined and investigated. Stress distribution around the crack tips will be calculated. Thus,the possibility and driving force of crack mode transfer propagation could be revealed.

复合型疲劳裂纹在扩展中一般会向I型转化，转型扩展过程和材料有关，但发生转型却几乎和材料无关，有着力学或热力学上的必然性。本项目力求揭示复合型疲劳裂纹转型扩展规律和机理，丰富断裂力学理论。为此，制作由不同材料制成的含不同侧斜或倾斜角穿透裂纹的十字形试样，进行I+II和I+III复合型疲劳裂纹扩展实验；对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟，确定其裂纹尖端的应力强度因子；在实验和数值模拟的基础上，拟合得出裂纹扩展转型率和裂纹扩展速率表达式，得到对应材料的复合型疲劳裂纹转型扩展规律；对疲劳试件进行金相和断面分析，研究材料性质以及裂纹组分的影响；基于位错与裂纹的相互作用理论，模拟位错从复合型裂纹尖端发射或湮灭过程，研究在疲劳载荷作用下，复合型裂纹前端塑性区和无位错区的响应，考察残余塑性区和残余无位错区；研究裂尖周围应力与应变能分布；揭示裂纹型式转化的可能性和驱动力。

断裂是工程材料的主要失效形式，裂纹分为三种基本形式，而大多数裂纹是由基本裂纹组成的复合型裂纹，复合型裂纹的转型扩展问题是重要的断裂力学问题。复合型疲劳裂纹扩展一般会向I 型转化，转型扩展过程和材料有关，但发生转型却几乎和材料无关，有着力学或热力学上的必然性。本项目力求揭示复合型疲劳裂纹转型扩展规律和机理，丰富断裂力学理论。. 项目从实验和模拟两方面进行研究。实验采用不同材料制成的含不同倾斜角穿透裂纹试样进行I+II复合型疲劳裂纹扩展实验；对裂纹扩展过程进行模拟，确定其裂尖的应力强度因子；得出裂纹扩展转型率和裂纹扩展速率表达式，得到对应材料的复合型疲劳裂纹转型扩展规律；对疲劳试件进行金相和断面分析，研究材料性质以及裂纹组分的影响，重点分析了材料取向、应变强化和超载迟滞等因素对裂纹扩展路径、扩展速率和转型的影响，微观角度分析了位错从裂纹尖端发射和湮没，研究了裂纹扩展尖端的微观形态，包括裂尖损伤、裂纹走向和断口形貌。. 研究认为，不管复合型裂纹初始倾角如何，预制裂纹总是沿着与加载方向垂直的方向扩展，而且疲劳裂纹在不同材料中转型扩展路径与所施加载荷的相对幅值大小无关。. 应变强化实验表明，裂纹扩张速率在裂纹的起始阶段明显低于未经强化的材料，随着裂纹的扩展裂纹增长速率增长较快，到最后阶段超过了未经强化的裂纹扩展速率。材料的预应变强化有助于降低疲劳裂纹的增长，而疲劳裂纹增长速率并不会随着预应变水平的增加单调增加，当预应变水平高于6%时，裂纹增长速率会反弹，但仍然低于未进行预应变强化的试件。. 对不同取向试件的疲劳实验表明，不同取向试件的裂纹扩展速率均随I型应力强度因子的增加而增加，但是材料取向对裂纹扩展路径基本没有影响，对裂纹扩展速率的影响也很小。 . 超载实验表明，启裂前的超载使得裂纹启裂难度大大提高。扩展过程中超载，在一定程度上可延缓裂纹扩展。裂纹扩展速率曲线表明超载后裂纹扩展速率会突然降低，然后逐渐回到甚至超出无超载时的疲劳裂纹扩展速率。.