疲劳裂纹扩展速率探究

疲劳断裂的全过程可以概括为三个阶段，即形成裂纹、疲劳裂纹亚临界扩展和快速断裂。在疲劳裂纹亚临界扩展阶段的各个时期（图4-17）的裂纹扩展速率是不同的。根据实验结果，常幅应力下，在Ⅱ区疲劳裂纹扩展速率可用Paris公式表示，Paris公式如下：

da/dN=c（ΔK）ⁿ （4-19）

式中 ΔK——应力强度因子振程，ΔK=K_max-K_min；

c、n——材料常数。

该区的裂纹扩展速率是估算裂纹件剩余寿命的依据。因第Ⅲ区的时间很短，就忽略不计了。

当ΔK<ΔK_th时，即裂纹不扩展。在平面应变条件下，当ΔK大于但接近于ΔK_th时，。第一个转折点B，一般相当于da/dN≈10^-4～10^-5mm/次的扩展速率，此点不受环境影响，只取决于平均应力。转折点C的裂纹扩展速率大体相当于一个恒定的裂纹张开位移振程Δδ_t=3.96×10^-3mm，即da/dN=3.96×10^-3mm/次。

图4-17关系曲线示意图

考虑到平均应力对da/dN的影响，对Paris公式进行了修正：

式中 r——应力比，；

K_c——材料的断裂韧性；(www.xing528.com)

c、n——材料常数。

在变幅应力下的疲劳裂纹扩展速率不仅取决于当时的应力幅和裂纹长度，而且还与以前的应力历程有关。如有过载峰时，将使以后若干循环的扩展速率减小。实验结果证明，对于稳定的随机载荷，其可以用应力强度因子振幅的均方根值Krms来描述：

而

式中 σ_rms——应力振幅均方根值；

Y——与裂纹形状有关的系数，即几何形状因子。

以上三个公式只适用于低应力的高周疲劳（应力疲劳），而对于高应力低周疲劳（应变疲劳）的裂纹扩展速率有与Paris公式相类似的表达式

式中 c、D、r——均为材料常数。

影响裂纹扩展速率的因素很多。平均应力和载荷历程是两个主要因素。另外温度升高da/dN加大，在腐蚀介质中，加载频率对da/dN有较大的影响，腐蚀介质对da/dt的影响视K_1max的情况而定，当K_1max≤K_1scc（应力腐蚀应力强度因子门槛值）时，其影响取决于拉伸应力的大小。而K_1max＞K_1scc时，应力腐蚀裂纹扩展速率（da/dt）是主要的，而疲劳裂纹扩展速度可近似地认为等于空气中疲劳裂纹扩展速度。