基于深度-敏感压痕技术的疲劳裂纹尖端残余应力场与损伤力学行为研究

The distribution characteristics of the residual stress around the crack-tip of M(T) specimens as well as their variations during fatigue-crack propagation under typical fatigue loading spectrums such as single peak tensile-overloading, single peak compressive-underloading, tensile-compressive (compressive-tensile) overloading, are investigated systematically by using depth sensing indentation-based method for measuring residual stress. The effect of the overloading on fatigue-crack propagation behavior is also studied by establishing the correlation between the variation of the residual stress field around crack-tip and fatigue crack-growth rate. The plastic zone and the damage process zone as well as their evolution with the fatigue crack propagation under typical fatigue overloading spectrums are investigated on the basis of the distribution characteristics of the indentation characteristic parameters around the crack-tip. The constitutive relation, the damage definition, the failure rule, etc. of the material around the crack-tip are further studied by using meso-based Damage Mechanics method combined with the distributions of the indentation characteristic parameters around the crack-tip. The research work performed in this project will exploit a new way to study the advanced fatigue crack propagation lifetime prediction model under complex variable-amplitude loadings by synthesizing the distribution of the residual stress around the crack-tip and the damage mechanical behavior of the materials in the damage process zone at the mesoscopic scale and the crack-growth rate and the crack propagation driving force at the macroscopic scale. It is thus of important theoretical and engineering practical significance.

应用基于深度-敏感压痕的残余应力测试方法系统研究典型疲劳过载谱（单峰拉/压、拉-压（压-拉）过载）下中心裂纹拉伸试样疲劳裂纹尖端局域上的残余应力场分布特征及其在裂纹扩展过程中的变化规律。通过建立不同过载方式下裂纹尖端附近的残余应力场变化与裂纹扩展速率之间的关联，研究过载对疲劳裂纹扩展行为的影响规律。基于压痕特征参量在裂纹尖端局域上的分布特征，研究典型疲劳载荷谱下裂纹尖端塑性区、损伤过程区及其随疲劳裂纹扩展的演化规律。采用基于细观的唯象损伤力学方法，结合裂尖局域上的压痕特征参量分布特征，进一步研究裂纹尖端损伤过程区的材料本构关系、损伤表征、失效准则等一系列问题。本项目将细观尺度上裂纹尖端的残余应力分布、损伤过程区材料损伤力学行为与宏观尺度上裂纹扩展速率、裂纹扩展驱动力等进行综合，来探索采用宏细观结合研究复杂变幅载荷下先进疲劳裂纹扩展寿命预测模型的新途径。因此，具有重要的理论和工程实际意义。

本项目结合压痕弹塑性有限元分析，系统研究了迄今国内外提出的基于深度敏感压痕技术测试残余应力的代表性模型（Suresh模型、Lee模型、Wang模型和Carlsson模型）在拉、压残余应力下的适用范围。并通过分析上述代表性模型之间的内在联系，提出了一种更具普适性的残余应力测试统一模型。.采用航空铝合金（2524-T3）和钛合金（Ti-6Al-4V ELI）作为研究用材，开展了恒幅与典型疲劳载荷谱（单峰拉过载、单峰压过载、拉-压过载、压-拉过载）下M（T）试样的疲劳裂纹扩展试验以及裂尖微观形貌检查。采用深度敏感压痕技术测试了上述工程合金在典型疲劳载荷谱下裂纹尖端的力学行为，获得了过载前后裂尖压痕特征参量（硬度、加载曲率、卸载刚度、残余压痕深度、压痕塑性功、压痕总功等）在空间分布与时间序列上的变化特征。通过对裂尖材料力学行为的微观机制分析，指出了过载后裂尖区力学性能梯度分布是裂尖材料应变硬化、残余应力和损伤共同作用的结果；并从压痕特征参量对裂尖损伤敏感性出发，指出了压入塑性功与总功之比是对裂尖损伤过程区较为敏感的参量，可用于裂纹尖端的损伤表征；结合裂纹尖端微区压痕特征参量的实验结果，采用M.Dao算法研究确定了两种合金在疲劳裂纹扩展过程中裂尖微区的力学性质（弹性模量、屈服应力和应变硬化指数等），并建立起裂尖损伤过程区材料本构描述模型。基于压痕测试结果，采用本项目提出的残余应力统一模型，进一步研究确定了典型疲劳载荷谱下两种合金裂纹尖端的残余应力场分布特征，并研究了裂尖残余应力场对裂纹扩展瞬态效应的影响规律；基于裂纹尖端残余应力场分布特征与裂纹扩展速率、裂纹扩展驱动力之间的实验相关性，以Wheeler模型为基础发展了一种综合考虑裂纹闭合效应、裂尖塑性区与残余应力场综合影响的裂纹扩展预测模型。本项目的研究工作开拓了深度敏感压痕技术在疲劳裂纹尖端残余应力场测试与裂尖损伤过程区材料力学行为研究中的应用，并为采用宏细观结合研究复杂变幅载荷下裂纹扩展寿命预测方法探索新的研究途径。