張嘯塵， 謝里陽,*， 張瑞金， 孟維迎， 李銘， 胡杰鑫

1.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院 現(xiàn)代設(shè)計與分析研究所， 沈陽 1108192.東北大學(xué) 航空動力學(xué)裝備振動及控制教育部重點實驗室， 沈陽 110819

預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料斷裂力學(xué)性能“鍛煉”效應(yīng)的影響

張嘯塵1, 2， 謝里陽1, 2,*， 張瑞金1, 2， 孟維迎1, 2， 李銘1, 2， 胡杰鑫1, 2

1.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院 現(xiàn)代設(shè)計與分析研究所， 沈陽 1108192.東北大學(xué) 航空動力學(xué)裝備振動及控制教育部重點實驗室， 沈陽 110819

對服役多年的高速列車用7N01鋁合金材料進(jìn)行疲勞裂紋擴展速率試驗，其對數(shù)坐標(biāo)系中的疲勞裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系呈折線形式。與未服役材料對比，在裂紋擴展初期階段，裂紋擴展速率降低。選取兩種原始鋁合金材料進(jìn)行107次預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后的疲勞裂紋擴展速率試驗，研究低于疲勞極限的預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料斷裂力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用的材料，其da/dN與ΔK的關(guān)系曲線在裂紋擴展初期(對應(yīng)于低應(yīng)力強度因子階段)均出現(xiàn)折轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對試驗數(shù)據(jù)的回歸分析表明：預(yù)循環(huán)應(yīng)力的作用使得材料的斷裂力學(xué)性能有所提高，預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)。

疲勞裂紋擴展速率； 預(yù)循環(huán)應(yīng)力； 服役材料； 斷裂力學(xué)性能； “鍛煉”效應(yīng)

疲勞裂紋擴展過程是一個多因素共同作用的過程。影響裂紋擴展的因素既包括外部因素如溫度、加載頻率、應(yīng)力比和腐蝕環(huán)境等，也包括內(nèi)部因素，如材料成分、組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷等。由于各種因素的作用，材料在服役過程中，高應(yīng)力區(qū)域易出現(xiàn)微觀裂紋，微裂紋串接匯合并擴展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致構(gòu)件的失效[1-3]。保證裂紋及其擴展速率在安全容許的范圍之內(nèi)，使構(gòu)件在使用期內(nèi)不發(fā)生失效，是損傷容限設(shè)計的重要內(nèi)容。斷裂力學(xué)在疲勞設(shè)計及分析中的應(yīng)用，需要研究材料的疲勞裂紋在不同狀態(tài)下的擴展行為規(guī)律，并在構(gòu)件的設(shè)計過程中采用損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則[4-6]。

關(guān)于影響材料疲勞裂紋擴展和疲勞性能的因素，已有大量研究。穆志韜等[7]提出了不同腐蝕年限下的裂紋擴展速率與裂紋長度的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并指出關(guān)系曲線的斜率值受腐蝕損傷和疲勞載荷兩個因素的影響。李旭東等[8]在此基礎(chǔ)上建立了腐蝕疲勞不同加載頻率對鋁合金材料疲勞裂紋擴展速率影響模型。Mann[9]提出了平均應(yīng)力對疲勞裂紋擴展速率影響模型，并證明其適用性。Okayasu等[10]通過試驗和微觀組織分析證明在無腐蝕作用的環(huán)境中，由于自然時效，材料的機械性能在規(guī)定年限內(nèi)有所提高。目前，在眾多研究中，還未見有學(xué)者進(jìn)行預(yù)循環(huán)應(yīng)力對疲勞裂紋擴展速率影響的相關(guān)試驗研究。

對于服役多年材料，使用中也會因疲勞、腐蝕等原因產(chǎn)生裂紋。這些裂紋在服役過程中會不斷增長，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的斷裂。另一方面，適當(dāng)?shù)难h(huán)載荷對材料有“鍛煉”效應(yīng)，能提高材料的疲勞性能。所謂低載“鍛煉”效應(yīng)，是指材料在疲勞極限下進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)會使原有疲勞極限值提高[11]。早在1924年，英國學(xué)者Gough[12]首次提出低載循環(huán)作用會提高材料結(jié)構(gòu)強度。隨后Nisitani[13]和Ishihara[14]等從非擴展裂紋角度出發(fā)，通過大量試驗，研究了不同材料、加工工藝以及環(huán)境等因素對低載“鍛煉”效應(yīng)的影響規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者吳志學(xué)等[15]研究了“鍛煉”效應(yīng)與應(yīng)力水平的關(guān)系，提出存在影響材料“鍛煉”現(xiàn)象的臨界載荷值，當(dāng)后期載荷大于臨界值時，“鍛煉”效應(yīng)消失。鄭松林[16]提出使用載荷譜中，大量低載對車輛結(jié)構(gòu)的強化作用并總結(jié)車輛結(jié)構(gòu)件的低載強化特性。這些研究均以低載循環(huán)對材料疲勞性能的改變?yōu)榛A(chǔ)，并未考慮低載預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料斷裂力學(xué)性能的影響。

本文對服役多年材料的疲勞裂紋擴展行為研究發(fā)現(xiàn)，服役多年材料在低應(yīng)力強度因子區(qū)域疲勞裂紋擴展速率明顯降低。為了解釋這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和機理，探討提高材料結(jié)構(gòu)強度的途徑和方法，通過對材料施加預(yù)循環(huán)應(yīng)力，研究其對疲勞裂紋擴展行為的影響規(guī)律。

1 服役材料斷裂力學(xué)性能

采用具有7年(2007—2013年)服役經(jīng)歷的高速列車車體枕梁部位型材作為研究對象，枕梁承受車體施加的載荷。型材表面經(jīng)噴漆防腐處理后，裸露在車體外部，直接與外部環(huán)境接觸。在長期的服役過程中，經(jīng)歷不同區(qū)域、季節(jié)更替等復(fù)雜的服役環(huán)境，經(jīng)受腐蝕、潮濕、溫度變化及受載等交替作用影響。

將車體枕梁部位7N01鋁合金型材(以下簡稱服役材料)和未經(jīng)歷服役的7N01鋁合金原始材料(以下簡稱未服役材料)造成標(biāo)準(zhǔn)三點彎曲SE(B)試樣，進(jìn)行恒幅載荷作用下的疲勞裂紋擴展速率試驗，研究材料經(jīng)歷服役后疲勞裂紋擴展行為的變化。根據(jù)車體枕梁部位型材尺寸設(shè)計試驗試樣，加工過程嚴(yán)格遵守GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》對試樣加工工藝的相關(guān)規(guī)定，試樣形式能較好地模擬工程中實際受力狀態(tài)，試樣取樣方向為試樣長度方向垂直于型材縱長方向，試樣詳細(xì)尺寸如圖1所示。7N01鋁合金的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

圖1 試樣尺寸圖Fig.1 Dimensional drawing of specimens

表1 7N01鋁合金的化學(xué)成分含量Table 1 Chemical compositions of 7N01 aluminum alloy wt%

表2 7N01鋁合金力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 7N01 aluminum alloy

試驗在Instron8800型電液伺服疲勞試驗機上進(jìn)行。采用COD規(guī)(夾式引伸計)對裂紋尖端進(jìn)行實時跟蹤測量并記錄整個裂紋擴展過程。采用正弦波加載方式，試驗過程中始終保持恒定載荷范圍ΔP，恒應(yīng)力比R=0.1，試驗頻率為10 Hz。在試樣完全斷裂前，終止裂紋的進(jìn)一步擴展，完成試驗。裂紋擴展長度的計算方法采用GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》中推薦的七點遞增多項式方法，擬合測得的裂紋長度和加載循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而求導(dǎo)得到疲勞裂紋擴展速率。

采用Paris公式描述裂紋擴展階段疲勞裂紋擴展速率da/dN和應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系曲線[17]，其表達(dá)式為

da/dN=C(ΔK)m

(1)

式中：a為裂紋長度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；C和m為材料常數(shù)。

對于SE(B)試樣，其應(yīng)力強度因子ΔK的表達(dá)式為

(2)

式中：B為試樣厚度；W為試樣寬度；ΔP為載荷；α為裂紋長度與試樣寬度的比值，即α=a/W；且

F(α)=1.99-α(1-α)(2.15-3.93α+2.7α2)

(3)

將式(1)兩邊分別取對數(shù)，有

lg(da/dN)=lgC+mlg ΔK

(4)

由式(4)可見，裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子ΔK在對數(shù)坐標(biāo)系下呈線性關(guān)系，其中斜率為m，截距為lgC。

圖2為服役與未服役材料裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子ΔK關(guān)系曲線對比圖。由圖可見，服役材料在應(yīng)力強度因子ΔK=8.75 MPa·m1/2時，前后兩段關(guān)系曲線明顯呈折線。前段曲線的裂紋擴展速率對應(yīng)力強度因子更敏感。未服役材料擬合曲線的折線現(xiàn)象并不明顯，整條曲線近似呈線性關(guān)系，Paris公式能夠較好地描述其疲勞裂紋擴展行為。前段曲線對比中，服役材料的裂紋擴展速率較低，后段曲線對比中，服役材料的裂紋擴展速率與沒有服役經(jīng)歷材料的裂紋擴展速率接近。

鑒于其折線特征，將服役材料與未服役材料的da/dN-ΔK關(guān)系曲線以應(yīng)力強度因子ΔK=8.75 MPa·m1/2為界限分為兩段進(jìn)行擬合并給出量化對比。表3為服役前后材料分段擬合出的材料常數(shù)lgC和m值。曲線1中，服役前后材料的lgC和m值相差均較大，在此范圍內(nèi)，服役材料的裂紋擴展速率低于未服役材料。曲線2中，服役材料的裂紋擴展速率同未服役材料相差不多。由此可知，服役多年對材料的疲勞裂紋擴展行為的影響主要體現(xiàn)在疲勞裂紋初期擴展階段。

圖2 服役與未服役材料da/dN-ΔK關(guān)系曲線對比圖Fig.2 Comparison of da/dN-ΔK curves from service and un-service materials

表3 Paris公式分段擬合參數(shù)Table 3 Piecewise fitting parameters of Paris formula

MaterialsPiecewisefitting(Curve1)Piecewisefitting(Curve2)lgCmlgCmService-20．7760917．932735．932082．25215Un?service-8．510194．889626．799082．99865

2 預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴展行為

如上文所述，經(jīng)歷多年服役后，材料的疲勞裂紋擴展行為發(fā)生改變，即在穩(wěn)態(tài)裂紋擴展階段發(fā)生折線現(xiàn)象。試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，在疲勞裂紋擴展前期，裂紋擴展速率降低，材料斷裂力學(xué)性能提高。促使這一現(xiàn)象產(chǎn)生的因素有很多，如服役過程中經(jīng)歷腐蝕、潮濕、溫度變化等復(fù)雜環(huán)境，同時受到不同循環(huán)載荷的作用也是重要的影響因素之一。因此，本文考慮預(yù)循環(huán)應(yīng)力的影響，研究受不同水平的預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后，疲勞裂紋擴展行為的變化規(guī)律。

2.1 試驗方案

對預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴展行為研究同樣選取7N01鋁合金材料，材料為兩種，由不同廠家生產(chǎn)，材料編號分別為SFE01和IAAM。首先截取母材尺寸為200 mm×50 mm×10 mm的寬板進(jìn)行疲勞極限下的預(yù)循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗。將預(yù)循環(huán)疲勞后的材料加工成標(biāo)準(zhǔn)三點彎曲SE(B)試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴展速率試驗，試驗在實驗室空氣環(huán)境下進(jìn)行。試驗操作方法及試樣加工過程嚴(yán)格遵守GB/T 24176—2009《金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法》與GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》的相關(guān)規(guī)定。疲勞裂紋擴展速率試驗設(shè)計試樣尺寸如圖1所示。兩種材料的化學(xué)成分如表4所示，力學(xué)性能測試結(jié)果如表5所示。

表4 兩種材料的化學(xué)成分含量Table 4 Chemical compositions of two kinds of materials wt%

表5 兩種材料的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of two kinds of materials

2.2 試驗方法與結(jié)果

使用高頻疲勞試驗機進(jìn)行疲勞極限試驗測試，兩種材料的疲勞極限值分別為130.6 MPa和159 MPa。截取7N01鋁合金母材進(jìn)行疲勞極限下不同預(yù)循環(huán)應(yīng)力的疲勞試驗，SFE01材料試驗按預(yù)循環(huán)應(yīng)力σ=40，70，100 MPa劃分為3組，IAAM材料試驗按預(yù)循環(huán)應(yīng)力σ=60，120 MPa劃分為2組，每組試樣數(shù)量為2個，循環(huán)方式為脈動循環(huán)，應(yīng)力比R=0，預(yù)循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗條件及結(jié)果如表6所示。將經(jīng)歷預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用的7N01鋁合金材料進(jìn)行疲勞裂紋擴展速率試驗過程、試驗條件以及裂紋擴展長度的測量計算方法與上文服役與未服役材料的試驗方法一致。

表6 預(yù)循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗條件及結(jié)果Table 6 Conditions and results of fatigue test by prior cycling stress

2.3 疲勞裂紋擴展行為分析

圖3 兩種材料疲勞裂紋擴展速率試驗數(shù)據(jù)Fig.3 Test data comparison of fatigue crack growth rate of two kinds of materials

在實驗室空氣環(huán)境下對不同預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用的試樣進(jìn)行恒幅載荷疲勞裂紋擴展速率試驗。圖3 為兩種鋁合金材料裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系曲線。由圖所示，裂紋擴展速率da/dN隨應(yīng)力強度因子ΔK的增大而增大，且隨預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大，裂紋擴展速率da/dN提高。整體曲線中，未經(jīng)受預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用試樣的裂紋擴展速率均高于預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后試樣。其中，當(dāng)應(yīng)力強度因子ΔK較小時，預(yù)循環(huán)應(yīng)力對裂紋擴展速率da/dN的影響較為明顯，與服役多年材料相似，關(guān)系曲線出現(xiàn)折線現(xiàn)象。

以SFE01材料為例，應(yīng)用式(4)，對不同預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴展試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到理論裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系曲線。

圖4 SFE01材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴展初期da/dN-ΔK關(guān)系曲線Fig.4 da/dN-ΔK curves of initial stage in stable crack propagation for materials SFE01

圖4為SFE01材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴展初期da/dN-ΔK關(guān)系曲線，實線為最小二乘法擬合試驗數(shù)據(jù)得到的Paris曲線，即材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴展階段的理論結(jié)果。由圖可見，原始材料(即處于初始狀態(tài)的材料)試樣的理論結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，Paris公式能較好地描述材料的疲勞裂紋擴展行為。由于預(yù)循環(huán)應(yīng)力的影響，在ΔK較小時，試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)折線現(xiàn)象，這部分的試驗數(shù)據(jù)點不能與理論結(jié)果相吻合。因此，對于預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后的疲勞裂紋擴展速率試驗結(jié)果應(yīng)分階段進(jìn)行擬合。

通過兩種材料的da/dN-ΔK關(guān)系曲線確定發(fā)生折線現(xiàn)象的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的ΔK值，原始材料試樣的分段擬合點取預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下曲線轉(zhuǎn)折點的均值。

表7給出了兩種材料Paris公式分段擬合參數(shù)結(jié)果，由表7可知，原始材料試樣分段擬合前后差距并不顯著，整體數(shù)據(jù)呈線性關(guān)系，而在預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下，分段擬合前后Paris曲線的斜率m值明顯增大，截距l(xiāng)gC值減小，即在轉(zhuǎn)折點前后不同范圍的應(yīng)力強度因子區(qū)域，擬合曲線發(fā)生了折線現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的ΔK值隨給定預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大而減小。表8給出轉(zhuǎn)折點處對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)裂紋擴展長度，由表8可知，在轉(zhuǎn)折點處，裂紋穩(wěn)態(tài)擴展的長度均低于5.5 mm，材料疲勞裂紋擴展行為折線現(xiàn)象中轉(zhuǎn)折處的裂紋擴展長度隨給定預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大而減小。與經(jīng)歷多年服役的材料相似，預(yù)循環(huán)應(yīng)力同樣使材料疲勞裂紋擴展行為發(fā)生了折線現(xiàn)象，折線主要體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)裂紋擴展初期階段。

服役多年材料和經(jīng)受預(yù)循環(huán)應(yīng)力加載材料的疲勞裂紋擴展試驗結(jié)果表明，二者均在裂紋擴展初期階段發(fā)生了折線現(xiàn)象，服役材料擬合曲線的折線現(xiàn)象更為明顯，形成了兩條斜率明顯不同的曲線。由于材料服役過程中受到不同載荷作用及復(fù)雜環(huán)境影響，導(dǎo)致材料內(nèi)部組織產(chǎn)生微小的分布式裂紋，這些分布式裂紋會消耗部分主裂紋擴展能量，降低穩(wěn)態(tài)初期裂紋擴展速率，從而影響裂紋擴展行為，隨著裂紋不斷擴展，分布式裂紋對主裂紋擴展的影響逐漸降低，此時服役材料的裂紋擴展行為與未服役材料相似，即多年服役經(jīng)歷對材料裂紋擴展行為的影響主要體現(xiàn)在初期裂紋擴展階段。預(yù)循環(huán)應(yīng)力使得材料穩(wěn)態(tài)階段裂紋擴展速率整體降低，文獻(xiàn)[18]指出，低于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力作用使材料微觀組織密實、均勻，其有效地延緩了疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴展速率，使得材料性能得到提升。材料微觀組織的改變主要影響穩(wěn)態(tài)裂紋擴展初期階段，當(dāng)裂紋不斷擴展，微觀組織結(jié)構(gòu)對裂紋擴展速率的影響隨之減小。此外，材料在復(fù)雜服役環(huán)境或預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用過程中，很有可能產(chǎn)生局部殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力誘發(fā)裂紋閉合。閉合度越高，裂紋擴展有效驅(qū)動力越低，從而降低穩(wěn)態(tài)階段裂紋擴展速率。

表7 兩種材料Paris公式分段擬合參數(shù)Table 7 Piecewise fitting parameters of Paris formula of two kinds of materials

表8 轉(zhuǎn)折點處穩(wěn)態(tài)裂紋擴展長度Table 8 Stable crack growth length at turning points

2.4 預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的材料“鍛煉”效應(yīng)

已有研究表明，在疲勞極限應(yīng)力之下，一定次數(shù)的循環(huán)載荷能對材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)，使得材料的靜強度、疲勞強度和疲勞壽命均得到提高，即產(chǎn)生低載強化作用[18]。“鍛煉”效應(yīng)與預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平有關(guān)，不同大小的預(yù)循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)的效果也不同。通常認(rèn)為存在一個使材料強化作用達(dá)到最佳效果的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值，偏離最佳預(yù)循環(huán)應(yīng)力，材料的“鍛煉”效果也隨之逐漸減小直至消失，文獻(xiàn)[19]中，趙禮輝等給出了在低于疲勞極限的載荷強化作用下，強化載荷與疲勞壽命及強化次數(shù)的關(guān)系圖譜。

本文所研究的預(yù)循環(huán)應(yīng)力對疲勞裂紋擴展行為的影響規(guī)律與此類似。當(dāng)經(jīng)受疲勞極限下的循環(huán)應(yīng)力后，穩(wěn)態(tài)階段裂紋擴展速率均低于原始材料，材料斷裂力學(xué)性能整體提高，預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用對材料斷裂力學(xué)性能同樣存在“鍛煉”效應(yīng)。

文獻(xiàn)[13]指出，低于疲勞極限載荷的循環(huán)作用引起材料硬化和應(yīng)變時效，這種強化作用導(dǎo)致材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)。本文試驗結(jié)果表明：預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料的斷裂力學(xué)性能同樣具有強化作用，產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)。“鍛煉”效應(yīng)對不同裂紋擴展階段的影響程度也不同，其對疲勞裂紋擴展行為的影響主要體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)裂紋擴展初期階段。所試驗的兩種材料的裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子關(guān)系曲線均在此階段發(fā)生了不同程度的折線現(xiàn)象，對于本文給定的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值，應(yīng)力越小，材料“鍛煉”效應(yīng)越顯著。

下面應(yīng)用Paris公式對預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞裂紋擴展壽命進(jìn)行計算。三點彎曲裂紋擴展試驗中，裂紋開裂形式為I型裂紋，應(yīng)力強度因子ΔK表達(dá)式為

(5)

式中：Δσ為應(yīng)力范圍；a為裂紋長度；Y為裂紋形狀因子。

對于試驗所采用的SE(B)試樣，其應(yīng)力強度因子ΔK的計算公式如式(2)和式(3)所示。

將Paris公式積分，可得到疲勞裂紋擴展壽命的估算公式為

(6)

式中：NP為疲勞裂紋擴展壽命；a0為試樣切口長度與預(yù)制疲勞裂紋長度的和；ac為試樣斷裂時的裂紋擴展長度，即穩(wěn)態(tài)裂紋擴展階段的起始和最終裂紋長度。

圖5給出了兩種材料疲勞裂紋擴展壽命的估算結(jié)果，由圖5可知，由于預(yù)循環(huán)應(yīng)力的影響，材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)，裂紋擴展速率降低，疲勞裂紋擴展壽命提高，且疲勞裂紋擴展壽命值隨本文選用的預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平的增大而減小。詳細(xì)分析“鍛煉”效應(yīng)產(chǎn)生的原因和清晰工程實際中材料的損傷機理，對提高構(gòu)件的耐久性和可靠性有著重要的意義[20]。

圖5 疲勞裂紋擴展壽命估算結(jié)果Fig.5 Predictions of fatigue crack growth life

材料的“鍛煉”效果與預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平有關(guān)，隨選用預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的降低而更加明顯，說明對于不同材料，存在一個最佳預(yù)循環(huán)應(yīng)力值使“鍛煉”效應(yīng)達(dá)到最佳效果，不同的預(yù)循環(huán)應(yīng)力比和預(yù)循環(huán)次數(shù)對材料的“鍛煉”效果也產(chǎn)生不同的作用。關(guān)于最佳“鍛煉”效果的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值和預(yù)循環(huán)加載條件，有待進(jìn)一步試驗研究。

3 結(jié) 論

1) 經(jīng)歷多年服役的高速列車用7N01鋁合金材料da/dN-ΔK關(guān)系曲線在對數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)折線現(xiàn)象。前段的裂紋擴展速率低于未服役材料的，但對應(yīng)力強度因子敏感，呈現(xiàn)快速上升趨勢，后段與未服役材料的裂紋擴展速率接近。

2) 預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用使得材料穩(wěn)態(tài)階段的裂紋擴展速率整體低于原始材料的，裂紋擴展速率隨給定預(yù)循環(huán)應(yīng)力值的增大而提高。與服役多年材料相似，其da/dN-ΔK關(guān)系曲線在裂紋擴展初期同樣出現(xiàn)折線現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的ΔK值及裂紋長度a隨預(yù)循環(huán)應(yīng)力水平的提高而減小。

3) 預(yù)循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致材料斷裂力學(xué)性能產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)，“鍛煉”效應(yīng)對疲勞裂紋擴展行為的影響主要體現(xiàn)在裂紋擴展初始階段。

4) “鍛煉”效應(yīng)提高了材料疲勞裂紋擴展壽命，適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力循環(huán)可提高材料的斷裂力學(xué)性能。分析“鍛煉”效應(yīng)產(chǎn)生的原因及確定不同材料最佳“鍛煉”效果的預(yù)循環(huán)應(yīng)力值和預(yù)循環(huán)加載條件，對提高構(gòu)件的耐久性和可靠性有著重要的意義。

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張嘯塵男，博士。主要研究方向：機械疲勞強度與材料斷裂力學(xué)性能。

Tel.: 024-83678622

E-mail: zxc_neu@163.com

謝里陽男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 機械疲勞強度與可靠性。

Tel.: 024-83673915

E-mail: lyxie@mail.neu.edu.cn

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151229.0844.002.html

‘Coaxingeffect’ofpriorcyclingstressonmaterialfracturemechanicsperformance

ZHANGXiaochen1, 2,XIELiyang1, 2,*,ZHANGRuijin1, 2,MENGWeiying1, 2,LIMing1, 2,HUJiexin1, 2

1.InstituteofModernDesignandAnalysis,SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China2.KeyLaboratoryofVibrationandControlofAero-propulsionSystems,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China

Thefatiguecrackgrowthratetestswerecarriedoutusingaluminumalloymaterialsservedinhigh-speedtrainforyears,andtherelationshipoffatiguecrackgrowthrateda/dNandthestressintensityfactorΔKwasshowninabrokenforminlogarithmiccoordinates.Comparedwiththenon-servicematerial,thecrackgrowthratedecreasesattheinitialstage.Aimingatthisphenomenon,thealuminumalloymaterialswereappliedheretoinvestigatethebehavioroffatiguecrackgrowthunder107priorcyclingstress.Theinfluenceofpriorcyclingstressunderfatiguelimitonthematerialfracturemechanicsperformancewasstudiedindetails.Theresultsshowthatthecurvesofda/dNvsΔKofpriorcyclingstressmaterialspresentabrokenforminthelowΔKperiod.Theregressionanalysesofthetestdataillustratethatthepriorcyclingstressplaysapositiveroleinthefractureperformance,andthepriorcyclingstresshas‘coaxingeffect’onthefatiguecrackofmaterials.

fatiguecrackgrowthrate;priorcyclingstress;servicematerials;fracturemechanicalproperties; ‘coaxingeffect’

2015-09-24；Revised2015-11-16；Accepted2015-12-14；Publishedonline2015-12-290844

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51335003);SupportedbythecollaborativeInnovationCenterofMajorMachineManufacturinginLiaoning

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2015-09-24；退修日期2015-11-16；錄用日期2015-12-14； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2015-12-290844

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國家自然科學(xué)基金 (51335003)； 遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心資助

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張嘯塵， 謝里陽， 張瑞金， 等．預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料斷裂力學(xué)性能“鍛煉”效應(yīng)的影響J．航空學(xué)報,2016,37(10):3074-3082.ZHANGXC,XIELY,ZHANGRJ,etal. ‘Coaxingeffect’ofpriorcyclingstressonmaterialfracturemechanicsperformanceJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(10):3074-3082.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0340

V252

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