[发明专利]一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法

说明书

本发明公开了一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法，属于金属材料疲劳裂纹扩展技术领域。该方法包括三个步骤：通过拉伸实验测得高强钢的抗拉强度σ_b，经平面应变断裂韧性实验得到材料的断裂韧性K_IC，将上述的两组数据带入高强钢的疲劳裂纹扩展公式，即可得到该材料的疲劳裂纹扩展性能。通过本发明可以简单的利用材料的静态力学性能来预测疲劳裂纹扩展性能，不但解决了疲劳裂纹扩展Paris公式中参数物理意义不明确的缺陷，并且节约了疲劳实验的时间和费用。同时此方法提供了一种工程构件选材的参考标准，为如何优化材料的疲劳裂纹扩展性能开辟新的思路。

技术领域：

本发明涉及金属材料疲劳裂纹扩展技术领域，具体涉及一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法。

背景技术：

航空航天、高铁及汽车等行业的机械设备和构件均受到周期性载荷作用，导致其发生疲劳破坏。疲劳破坏往往是突然性的发生，会造成重大的人员伤亡及财产损失。近90％的金属材料及构件在服役过程中承受远低于拉伸强度的循环载荷下失效断裂，但是其疲劳损伤理论研究仍然有所欠缺，所以研究构件的疲劳问题无论在理论科学还是工程应用中都显得尤为重要【Suresh S.Fatigue of materials[M].Cambridge university press,1998.】。对于大型工程构件，由于材料制造、加工等工艺中出现的缺陷及内部微裂纹总是存在的，构件服役过程中，裂纹在失效断裂前要经历一段稳态扩展时期，这期间裂纹扩展量是相当大的，对于服役一段时间的构件来说，剩余寿命的准确预测可以更好的选择检测周期。所以研究材料与构件的疲劳失效机理和疲劳裂纹扩展规律，建立裂纹扩展行为力学模型，准确预测构件的剩余寿命，可进一步保障机械设备的结构在设计安全寿命区内的平稳运行，这具有不可估量的工程实用价值和社会经济效益。

关于材料的疲劳裂纹扩展行为的研究早先始于上世纪中叶，典型的疲劳裂纹扩展曲线如图1所示：I区为低扩展速率(近门槛)区，II区是裂纹稳态扩展(Paris)区，III区是快速扩展区【Ritchie R O.Near-threshold fatigue-crack propagation in steels[J].International Metals Reviews,1979,24(1):205-230.】。在I区，疲劳裂纹扩展速率随应力场强度因子的降低迅速降低，当ΔK＝ΔK_th时，视为裂纹不扩展，定义ΔK_th为疲劳裂纹扩展门槛值。在III区，疲劳裂纹扩展速率随K的升高而快速升高，当ΔK＝ΔK_IC时，达到裂纹失稳状态，试样发生断裂。II区作为工程合金的疲劳裂纹稳定扩展(Paris)区，此阶段可以定量描述，所以近半个多世纪以来一直成为疲劳领域的研究热点。早期的学者大都寻找裂纹扩展速率da/dN与局部应力σ、裂纹长度a的定量关系，且他们在实验中都寻找到一些符合的经验公式。1963年，Paris和Erdogan基于前人的实验公式，首先引入了应力场强度因子来衡量材料的疲劳裂纹扩展速率【Paris P,Erdogan F.A critical analysis of crackpropagation laws[J].Journal of Basic Engineering,1963,85(4):528-533.】，其经验公式(2)如下