S-N曲線的基本結(jié)構(gòu):預(yù)測(cè)缺陷材料的疲勞壽命和疲勞極限以及散射的性質(zhì)
概述:歷史上,S-N 曲線以施加應(yīng)力 σ 與失效循環(huán)次數(shù) Nf 之間的指數(shù)關(guān)系的形式表示。 本文從小裂紋力學(xué)的角度闡述了基于疲勞壽命和含缺陷材料極限預(yù)測(cè)方法的S-N曲線的基本結(jié)構(gòu)。 討論了所提出的方法在階躍加載和變幅加載中的擴(kuò)展應(yīng)用。 還從疲勞極限隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和裂紋擴(kuò)展數(shù)不斷減小的角度討論了 Miner 規(guī)則的適用性問(wèn)題。
含缺陷材料的S-N數(shù)據(jù)及S-N曲線的本質(zhì)意義
2.1.含不同尺寸缺陷系列試樣的S-N曲線相關(guān)性
含缺陷材料的S-N數(shù)據(jù)及S-N曲線的本質(zhì)意義 2.1.含不同尺寸缺陷系列試樣的S-N曲線相關(guān)性 如果我們測(cè)試含有缺陷的試樣,S-N 數(shù)據(jù)將是一條低于無(wú)缺陷試樣的 S-N 曲線。該特征示意性地表示為圖 3。曲線 A、B 和 C 分別顯示了包含尺寸為 dA、dB 和 dC (dA < dB < dC) 的缺陷的樣本的 S-N 數(shù)據(jù)。自然,疲勞壽命 Nf 以系列 C、系列 B 和系列 A(NfC < NfB < NfA)的順序縮短,疲勞極限以 σwA、σwB 和 σwC(σwC < σwB < σwA)的順序降低。 S-N 曲線的斜率,方程中的 C2。 (1) 幾乎是恒定的,盡管觀察到較大的缺陷尺寸略有下降。從歷史上看,如圖 3 所示的 S-N 曲線的確定一直是疲勞測(cè)試的一個(gè)重要目標(biāo)。然而,S-N 曲線(例如曲線 A、B 和 C)僅被視為單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且尚未深入研究這些曲線之間的相關(guān)性。
通過(guò)增材制造 (AM) 工藝制造的材料的 S-N 數(shù)據(jù)通常顯示疲勞壽命和疲勞極限有很大的分散。散射是由疲勞斷裂起點(diǎn)處的不同尺寸缺陷引起的,即主要是單個(gè) AM 試樣表面層中包含的最大缺陷。作為假設(shè),如果在每個(gè)系列中準(zhǔn)備了多個(gè)具有相同尺寸缺陷的 AM 樣品系列,則將獲得每個(gè)缺陷尺寸的單獨(dú) SN 曲線,如圖 3 所示。
但是,由于不可能有意地準(zhǔn)備這樣的樣品系列顯然,在實(shí)際疲勞試驗(yàn)中獲得了一組由單獨(dú)的 SN 數(shù)據(jù)(例如曲線 A、B 和 C)混合組成的 SN 數(shù)據(jù),并且會(huì)觀察到大的分散。到目前為止,這種 S-N 數(shù)據(jù)或 S-N 曲線已被報(bào)道為各種材料的典型疲勞特性,沒(méi)有進(jìn)一步的追求。盡管一些論文將 S-N 數(shù)據(jù)中疲勞壽命的散布視為正態(tài)分布,但沒(méi)有理論依據(jù)證明 S-N 數(shù)據(jù)的散布服從正態(tài)分布,如村上隆等人所指出的。 [19]、[20]。如果假設(shè)一個(gè)圓柱疲勞試件的量規(guī)部分由10個(gè)亞較小的圓板試件組成,則試件的疲勞破壞發(fā)生在最弱的亞試件上。雖然認(rèn)為一個(gè)試樣中10個(gè)子試樣的疲勞強(qiáng)度服從正態(tài)分布,但失效試樣疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布應(yīng)服從極值分布的統(tǒng)計(jì)[19]、[21]、[22] , [23], [24], [25], [26], [27], [28]。
本文從小缺陷和小裂紋的影響角度,通過(guò)分解圖3中曲線A、B、C等S-N曲線相互重要的相關(guān)性,闡明了S-N曲線的本質(zhì)結(jié)構(gòu)。如后文所述,該觀點(diǎn)是變幅載荷下疲勞壽命預(yù)測(cè)的基本條件。
2.2. 含缺陷試樣的疲勞極限及S-N曲線的拐點(diǎn)
為了闡明 S-N 曲線的基本結(jié)構(gòu),將對(duì)各種材料的含缺陷試樣的疲勞極限 σw、拐點(diǎn)、Nknee 和 S-N 曲線的斜率進(jìn)行研究。 首先是S-N曲線的水平線,疲勞極限σw和缺陷的大小,√area, 在疲勞斷裂起源將被調(diào)查。 含有小缺陷的試樣的疲勞極限σw,其尺寸為√area已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)研究,并且可以通過(guò)方程預(yù)測(cè)許多金屬材料。 (4) 的√area參數(shù)模型。
其中,方程中的數(shù)量單位。 (4)分別為σw:MPa,HV:kgf/mm2,√area:μm。√area面積參數(shù)模型可作為預(yù)測(cè)疲勞極限、S-N 曲線水平線的有力工具。 如果試樣不包含明確的缺陷,疲勞極限可以近似估計(jì)為 σw = 1.6HV [31], [32]。 模型的細(xì)節(jié)在參考文獻(xiàn)中解釋。 [20]、[29]、[30]。 使用該模型,可以預(yù)測(cè)疲勞極限(例如圖 3 中的 σwA、σwB 和 σwC),即圖 2 的水平線。
因此,如果我們有兩個(gè)有限壽命狀態(tài)下的疲勞數(shù)據(jù)點(diǎn)(圖2)作為最小條件,我們可以近似確定拐點(diǎn)Nknee為有限壽命線與疲勞極限σw的水平線的交點(diǎn).拐點(diǎn)的存在在機(jī)械上與疲勞極限是在一些初始增長(zhǎng) [20]、[29]、[30] 之后開(kāi)始的裂紋變得非擴(kuò)展時(shí)確定的事實(shí)有關(guān)。因此,疲勞極限不是裂紋萌生的臨界應(yīng)力,而是開(kāi)始裂紋停止生長(zhǎng)的閾值應(yīng)力。當(dāng)裂紋到達(dá)微觀結(jié)構(gòu)障礙(例如晶界)時(shí),它們會(huì)變得不擴(kuò)展。在許多材料中,裂紋閉合現(xiàn)象 [33]、[34]、[35] 是主要機(jī)制。報(bào)告了三種類型的裂紋閉合機(jī)制,塑性誘導(dǎo)裂紋閉合 [33]、[34]、[35]、氧化物誘導(dǎo)裂紋閉合 [36]、[37] 和表面粗糙度誘導(dǎo)裂紋閉合 [38]、[39]。在這三種機(jī)制中,塑性誘導(dǎo)裂紋閉合 [33]、[34]、[35] 是最重要的機(jī)制。不了解非擴(kuò)展裂紋現(xiàn)象,就不可能了解 S-N 曲線的本質(zhì)結(jié)構(gòu)。在一些特殊問(wèn)題中,如甚高周疲勞 (VHCF),疲勞裂紋起始于非金屬夾雜物,這些夾雜物俘獲了氫,氫通過(guò)氫誘導(dǎo)疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)制增強(qiáng)了明顯疲勞極限(拐點(diǎn))的消除[20], [40]。消除明顯疲勞極限的另一種情況是鈦合金的 VHCF,其中裂紋起始于大的內(nèi)部 α 相或一組彼此相鄰的 α 相,它們對(duì)施加的應(yīng)力具有優(yōu)先取向 [41]、[42]。在這些情況下,由于非擴(kuò)展裂紋的機(jī)制而出現(xiàn)的明顯拐點(diǎn)并不一定會(huì)出現(xiàn),這種現(xiàn)象必須作為例外情況處理。
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