材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究

工程中疲劳寿命估算，分为裂纹起始寿命和裂纹扩展寿命两阶段分别进行估算，然后求和即得总寿命。估算裂纹起始寿命和裂纹扩展寿命，需要有好的裂纹起始寿命表达式和裂纹扩展速率表达式。对疲劳裂纹扩展速率表达式的研究已有50余年的历史，提出的裂纹扩展模型和表达式已达100多个；其中也有不少能描述包含近门槛区、中部稳态扩展区和快速扩展区等三个区在内的整个疲劳裂纹扩展曲线的表达式。但这些表达式中均含有物理意义不明确、需由实验确定的常数。近年来，这项研究仍在进行中。 本文系统地分析和总结了中外文献对高塑性材料、低塑性材料和脆性材料，包括金属材料、高分子材料和陶瓷材料的疲劳裂纹扩展微观机制和宏观力学模型的研究结果，进而采用理论分析与实验研究相结合的方法，从微观和宏观两个方面对疲劳裂纹扩展的一般规律、影响因素、微观机制、力学条件和宏观规律及其定量理论进行了深入的研究，给出了为实验结果所验证的接近完善的疲劳裂纹扩展表达式。本文的主要结论和创新点有： 首先，认为所有固体材料均具有相同的疲劳裂纹扩展宏观规律，即完整的疲劳裂纹扩展曲线都由近门槛区、中部稳定扩展区和快速扩展区所构成，曲线具有相似的S形，尽管不同特性的材料具有不同的疲劳裂纹扩展的微观机制。提出了裂纹扩展阻力三要素的概念，认为弹性模量E、扩展门槛值ΔKth和断裂韧性KC是构成材料疲劳裂纹扩展抗力的三个最基本的要素；材料具有高的弹性模量E、扩展门槛值ΔKth和断裂韧性KC，其疲劳裂纹扩展速率也愈低。所有其它影响裂纹扩展的因素，都是通过影响这三要素而影响裂纹扩展速率的。在上述总结和分析的基础上，给出了描述三个区的疲劳裂纹扩展总体规律的公式（3.23）或式（6.5），即 上述表达式左、右两端量纲一致，式中的各个参量物理意义明确。参量ΔK表征疲劳裂纹扩展的驱动力，参量E、ΔKth和KC表征疲劳裂纹扩展的抗n摘要力，而且也表明了应力比R的影响。实验结果和分析证明，该式能用于描述具有各种不同特性材料的包含近门槛区、中部稳态扩展区和快速扩展区的整个疲劳裂纹扩展曲线。 为获得可靠的疲劳裂纹扩展速率的实验数据，自行研制成功高分辨率裂纹实时监测系统，从技术方面为本文中的实验工作提供了有力的支持。该系统还可用于高温或腐蚀环境下的裂纹实时监测，为高温材料及腐蚀环境下的寿命研究提供了可靠的关键技术和测试手段。 文献中实验结果的再分析，进一步客观地证明了上述疲劳裂纹扩展速率表达式。而且，更加重要的是，还可利用该式预测材料的疲劳裂纹扩展速率。 此外，本文还指出，裂尖的钝化一扩展一进一步钝化的过程是保持裂纹稳态扩展的必要条件，并提出“广义钝化”的概念，以解释不同材料裂尖表现出的各种具体形态。 提出了近门槛区内“裂纹扩展基元模型”，用于定性地说明何以近门槛区内裂纹扩展速率低于原子间距，进而解释了裂纹扩展门槛值存在的物理本质。 本文还对有机玻璃切口强度和切口敏感性进行了实验研究，提出了预测材料断裂韧性的方法，并利用园棒环形尖切口试件的拉伸试验，对有机玻璃断裂韧性进行了有效的估算。