40车轴钢短裂纹单峰过载迟滞效应的研究

第16卷第199413期月铁道学报Vol16Nol年LWAYSOCIETYJOURNALOFTHECHINARAIMaeh199440车轴钢短裂纹单峰过载迟滞效应的研究杨广里张常青北京)(北方交通大学提要0车轴钢预制穿透型短裂纹作等幅扩展特性试验研究的基础上重点本文在对4研究了短裂纹阶段单峰过载迟滞效应;;试验表明在单峰拉伸过载情形下短裂纹扩展存在比较强烈的过载迟滞效应过载位置对迟滞效应影响较大早施加比晚施加过载产生的迟滞效应大过载度对迟滞效应影响最大相对过载迟滞量N/Na,c程N/N一281Ja,e与过载度m满足方x100火m1本文运用弹塑性断裂理论对上述试验结果进行了分析关键词1短裂纹裂纹扩展单峰过载迟滞效应引言在工程实际中结构上应力集中部位常常出现裂纹在初始阶段裂纹前缘塑性区尺寸与裂纹长度为同一数量级线弹性断裂力学要求的小范围屈服条件不再满足使得短裂纹有着与长裂纹不同的扩展特性通常将此阶段的裂纹扩展称为短裂纹扩展阶段工程结构或构件一般在随机载荷作用下服役即使对于恒幅载荷作用的情形过载的出现也是不可避免的因而研究过载或随机载荷作用下工程材料的疲劳行为更具有实际意义本文重点研究短裂纹阶段单峰过载迟滞效应试图为随机载荷谱下车轴钢短裂纹扩展特性的研究提供基础2试验研究试验材料为40车轴钢其化学成分及机械性能分别见表0车轴钢化学成分4成分含量(%)01和表2表50515135PC05N130C一045050一080015一035簇0簇0镇0镇030镇0250车轴钢机械性能4占表产2材质40甲(MPa)522(MPa)327(%)34(肠)580E钢32义100选用1x02xa0mm的标准三点弯曲试样短裂纹试样的预制疲劳裂纹长度镇o8smm本文为铁道部自然科学基金资助项目(主持人杨广里)本文于1993年6月26日收到杨广里教授北方交通大学工程力学研究所邮码100044第1期40车轴钢短裂纹单峰过载迟滞效应的研究△K预制时按照疲劳裂纹门槛值的试验方法使得最终载荷时裂尖应力强度因子范围「1槛值△凡;接近于使将来切成的短裂纹接近自然状态的短裂纹预制裂纹后的试样经60℃h真1空退火处理以消除裂尖可能存在的残余应力“试验在红山高频疲劳试验机上进行应用直流电位法测量裂纹扩展长度测量精度为0”3mm0分别作等幅和单峰过载疲劳试验15等幅试验最大名义应力am一81oMPa应力比R一01单峰过载过载度取1719及21四种试验采用直流电位法和读数显微镜相结合的方法对短裂纹的扩展进行不停机测量;显微镜放大倍数为30倍用来测量裂纹长度的初值和终值直流电位法为每隔读数5~0千周循2环不等读一次电位值曲线理d1将电位法测出的电位值以及显微镜读出的裂纹长度初值和电位探头间ohsno距代入电位法中的Jn公式即可得出每一测量时刻的裂纹长度从而得出裂纹扩展特性对试验数据应用自行设计的分段逐次多项式局部拟合法借助于计算机进行了数据处“”为了比较长短裂纹扩展特性测出了裂纹从0smm扩展至3omm的数据d绘制了da/N△K及d/dNaa关系曲线(图1)由二曲线可知裂纹较短时d/aN有大的起伏约lmm以后才趋于平稳da/dN一C(公K)关系才能成立/dN(mm/y)d(mm/y)J/dNl一三三三三蕊一一一一一一一一目目月一州「一甲l!「甲曰日二0、司卜州_日日「习l于月目,es{「甲压甲l一兰一口口日目曰门曰l}3目目目厂门门门门口门口100△兀(mm)(kofzmo(b).加)图1等幅扩展特性在单峰过载情形下短裂纹扩展也存在单峰过载迟滞效应并且短裂纹阶段对过载迟滞效应比长裂纹阶段更为敏感的da当过载度为15时40车轴钢长裂纹过载迟滞效应不明显但短裂d纹阶段却有显著的过载迟滞效应裂纹扩展特性曲线d/aN△Kd/adNa2存在明显中(图)“”/dN下降低速扩展一段周次后又象等幅扩展一样波动起伏向前扩展直至汇入长裂纹阶段过载位置对短裂纹的过载迟滞效应有较大的影响图裂纹长度处施加过载显见图次也较小1(2和图3对应于06mm及05mm93虽也有过载后da/dN下降但下降幅度较小低速扩展的周即后者的迟滞效应较弱过载度对短裂纹扩展的过载迟滞效应影响最大51在大致同一过载位置下四种过载度m己719及21)对应的过载迟滞效应见表4取迟滞周数N与等幅扩展周次Nalc之比铁道学报第15卷J/dN(mm/y)卜====片===月片==二二=汉/dN)}(mm/y{10~一l目巨阵印目r甲厂一一尸r门尸尸一门日门尸m门豪一】1一-4一-,母-一}匕J「{l:留10矛声u『,o目月月甲用}甲{「了了门州j刃户「飞刃厂口,印门辜奎==月卜阵三三三二ll}目目目阵尾「1F门「门门l门二二一一斗奎[I]]}厂]「1口[丁1日口日田田“(kgf/mm(b)]00,,.m3()(mm))图2单峰过载扩展特性(06mm处过载)d(mm/y)/dN己/dN(mm/y)二二二二井二益二一二目巨系丁曰目甲曰一刁刁【一,!州甲广j川r-Il厂门勺-」n门门门勺-7左’.一工}门日日印m巨目团寻军任军共曰曰门阳曰川日m川l州门「〕r广,「飞门门州”i匕l3杯二月干户阵日千门门门门团尸厂集斗主二厂曰厂日印印10乙盆(mm)(kgf/mmJ90少图3oa单峰过载扩展特性(059mm处过载)值(CAo于以fLConstantAmplitudela、cd)为衡量迟N滞效应的参量gm将N万NJ,与m都取对数后作/N“l009(N/N1)为横纵轴的坐标系中发现四点能用一直线较好地拟合得到如下方程N/N:J,=281xm10一3m‘’2(图4)由此可得出给定过载度下的相对迟滞量N/NJa,c可以发现过载度对短裂纹阶段过载迟滞效应影响最大在过载试验中发现过载后瞬时电位值有一突变这表明裂纹有一扩展量即过载对裂纹814304E一030拼产生了直接损伤图4过载度与相对迟滞量的关系第1期0车轴钢短裂纹单峰过载迟滞效应的研究4试验结果汇总0表0358mm~280mm93mm载荷类塑试样~280rnm迟滞周次(ky)扩展周次(ky)500扩展周次(ky)311等幅单峰过载(约0316mm处)单峰过载(约095mm10113423处)不同过载度下的迟滞周次过载位置试件(mm)表己4过载度I扩展周次N(ky)迟滞周次N(ky)相对迟滞量N0(kgf)/N一约l2l3140061786106387045291584890003试验结果分析短裂纹对过载迟滞效应比较敏感这可以通过裂纹闭合予以说明根据闭合理论在裂纹扩展过程中施加一单峰拉伸过载就会在裂尖产生一大的塑性区该塑性区使裂纹闭合欲重新张开并且扩展就需要更大的张开力使得裂纹扩展的有效应力幅下降因而d/adN降低由于塑性区尺寸与长裂纹相比很小而与短裂纹相差无几故过载塑性区对短裂纹扩展的影响更大只有当裂纹扩展使得裂尖穿过过载塑性区时才能摆脱过载迟滞效应过载位置对短裂纹过载迟滞的影响可以这样分析尽管短裂纹扩展具有明显的波动起伏但从d/a”:“dNa曲线可知当裂纹长度a增加时dNd/adN有增大趋势特别是裂纹长度接近1lmm时短裂纹扩展特征逐渐消失d/a随a单调增大这可能是过载早比过载晚产生的迟滞效应强烈的原因过载度对短裂纹扩展迟滞效应的影响最大这主要是由于较大的过载度将产生较大的过载塑性区短裂纹欲正常向前扩展必须穿过该过载塑性区穿过它需要的循环周次就多即迟滞效应大显然过载度大过载塑性区就大关于短裂纹阶段过载迟滞效应的机理由试验可见施加过载瞬时裂纹有一扩展量即过;载对裂纹产生了直接损伤促使裂纹扩展同时过载力作用下裂尖塑性区在卸载后由于周围弹性区的恢复将产生一残余压应力场其作用使得实际载荷幅值降低延迟裂纹扩展随着裂纹的扩展裂尖残余压应力场逐渐减弱在过载迟滞后期闭合效应对迟滞起主导作用4结论(1)短裂纹扩展阶段存在过载迟滞效应且比长裂纹阶段更为严重112铁(2)(3)道学报第15卷短裂纹阶段的过载迟滞效应与过载位置有关过载早比过载晚产生的迟滞效应大就短裂纹过载迟滞效应机理而言本文初步认为其产生的根本原因在于裂尖在过载力及随后等幅载荷作用下的塑性变形行为过载作用一方面使得裂尖产生严重的塑性变形导致直接损伤促使裂纹扩展;另一方面使得裂尖残余应力场及随后的闭合效应增大延缓裂纹扩展两方面共同作用最终决定对裂纹扩展的影响:(4)过载度对短裂纹阶段过载迟滞效应影响最大己a、c相对过载迟滞量N/N与过载度己m之间满足关系N/N量5a,c一281Xl。一3Xm’“’2通过它可以得出给定过载度下的相对过载迟滞参考文献杨广里等断裂力学及应用北京中国铁道出版社1989ue2KgneJMillr;ERdelosRiosTheeBhaviourofshortFatigeraeieationkEGFPublLondonMeehEng1986v3RaghuirKumiesarPredietionoayfdeleesyelduetoinstantofSingleoveroaldeesyelEngineernigFraetureMeehan1992;42(3)563571RESEARCHTIONONTHESINGLEPEAKOVERLOADRETARDA-EFFECTOFSHORTFATIGUECRACKSIN40AXLE一STEELYRangGuangliZhangChangqingfEnesearehInttuteoiginnigmoahniNthnJiotatgUniityingeijB100044thesAbstraeteraereOnathebasisfanexperimenlinvestigationesintheobehaviurofshortfatigueksunderneeonstantmplitudeload(CAL)wentaretudyniinglepeakooveroald(SPOL)stretarodatiaffeesetExperimolalresultsindieaetethattheeasefsinglepeakueeraetehinganoverlosdrtrintenoverdtartationffeetot(OLRE)theexnistsiearshortfatigkgrowthexerdtheshogfatitheueeraek15morosensitiveolaOLREtThegliertheoeneever5load1tedthetrongeOLRE15enTheoneoveradratioraexhasphpohestronestinfluontheOLERPlottingtheextheanaperimtalresmexults109一109gdtaraftheion:realtiveretardationoperi一“dN/NLversusoverloadtratioasWpereanenwtheltskgressN/N一281X10m‘’2IntheendwelysehebovhoreimlresueraeusroingwththeEPFMstheoryoverKeywordstfatigueeraekinglePeakloadreartdationeffeet(责任编辑庆静先)