金属材料疲劳裂纹扩展速率Paris模型中材料常数的相关性

张亚军; 张欣耀; 张云浩

金属材料疲劳裂纹扩展速率Paris模型中材料常数的相关性

张亚军^1,2,
张欣耀^1,2,
张云浩^1,3

1. 中国船舶重工集团公司第七二五研究所, 河南洛阳 471023;
2. 河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室, 河南洛阳 471023;
3. 国家新材料生产应用示范平台(先进海工与高技术船舶材料), 河南洛阳 471023

基金项目: 国家自然科学基金(61602331)

详细信息

作者简介:
张亚军,男,1972年生,研究员,主要从事金属材料的疲劳、断裂与损伤测试技术及性能研究。E-mail:zhangyj309@163.com

中图分类号: TG14.2
计量
- 文章访问数: 648
- HTML全文浏览量: 131
- PDF下载量: 68
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2020-05-20
- 刊出日期: 2021-08-25

Pertinence of Material Constants in Paris Model for Fatigue Crack Propagation Rate of Metallic Materials

1. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471023, China;
2. Henan Key Laboratory of Technology and Application of Structural Materials for Ships and Marine Equipments, Luoyang 471023, China;
3. National New Material Production and Application Demonstration Platform(Advanced Marine Engineering and High-tech Ship Materials), Luoyang 471023, China

摘要

摘要: 金属材料疲劳裂纹扩展速率是工程应用中进行损伤容限设计、疲劳寿命评估的一项重要力学性能指标。Paris模型是疲劳裂纹扩展速率最常用的表达形式,该模型认为疲劳裂纹扩展速率随裂纹前缘应力强度因子范围的变化呈幂函数关系,涉及到两个材料常数C和m。本研究借助部分文献中的试验数据,分析合金钢、铜合金、钛合金、铝合金等不同金属材料疲劳裂纹扩展速率Paris模型中材料常数C和m的关系。结果表明:Paris模型中材料常数C和m的关系可用m=alnC+b线性模型来描述,且不受试样取样方向、焊缝位置、试验环境等因素影响;但不同应力比对该模型的线性度有一定影响,尤其是当应力比为负值时,影响较为显著;不同金属材料常数C和m线性模型的斜率并不相等,其影响因素有待于进一步系统研究。分析结果可为金属材料在工程中的疲劳设计与应用提供参考。
- 金属材料 /
- 疲劳裂纹扩展速率 /
- Paris模型 /
- 材料常数
Abstract: Fatigue crack propagation rate of metallic materials is an important index of mechanical property, which is employed for damage tolerance design and fatigue life assessment in engineering application. Paris model is the most popular expression for fatigue crack propagation rate, and the relation of fatigue crack propagation rate and stress intensity factor range at the crack front is believed to meet a power-function rule in the model. The model involves in two material constants of C and m. In this paper, based on some test data published in some literatures, the relationships between material constants of C and m in Paris model for fatigue crack propagation rate of metallic materials of alloy steels, copper alloy, titanium alloy and aluminum alloy were analyzed. The results indicated that the constants of C and m of different types of metallic materials satisfied good linear relationship, namely m=alnC+b, which was not affected by specimen sampling orientation, weld position, and test environment. Stress ratios had great influence on the linear relationship, especially when the stress ratio value was negative. The slopes of the linear models for different metallic materials were not equivalent and the influencing factors should be further researched systematically. The analyzing results would provide reference for fatigue design and application in engineering.
- metallic materials /
- fatigue crack propagation rate /
- paris model /
- material constants

HTML全文

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 人口迁徙百分比

日期	迁徙类型	地域	迁入/迁出地	百分比/%
20200101	move_in	北京市	上海市	1.62
$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $
20200101	move_in	保定市	湖北省	0.42

下载: 导出CSV

表 2 特定日期迁徙规模指数列表

日期	迁徙类型	地域	值
20200101	move_in	天津市	2.480 868
$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $
20200101	move_out	茂名市	0.739 951 2

下载: 导出CSV

表 3 宁夏所辖区划2020年1月1日迁徙规模指数统计

迁徙方向	行政区划	迁徙规模指数
move_in	银川	0.877 521 6
move_out	银川	0.911 898
move_in	石嘴山	0.250 030 8
move_out	石嘴山	0.248 054 4
move_in	吴忠	0.487 684 8
move_out	吴忠	0.473 688
move_in	固原	0.206 712
move_out	固原	0.200 005 2
move_in	中卫	0.286 578
move_out	中卫	0.270 637 2

下载: 导出CSV

表 4 宁夏所辖区划2020年1月1日迁入百分比统计 %

行政区划	迁入
行政区划	银川	石嘴山	吴忠	固原	中卫
银川	0	18.13	31.06	6.78	10.00
石嘴山	63.19	0	4.25	2.52	2.28
吴忠	59.92	2.05	0	4.26	12.98
固原	33.77	3.29	10.17	0	19.04
中卫	34.33	2.01	21.92	14.65	0

下载: 导出CSV

表 5 宁夏所辖区划2020年1月1日迁出百分比统计 %

行政区划	迁出
行政区划	银川	石嘴山	吴忠	固原	中卫
银川	0	17.32	32.04	7.65	10.79
石嘴山	64.17	0	4.04	2.74	2.32
吴忠	57.55	2.24	0	4.43	13.26
固原	29.75	3.15	10.40	0	20.99
中卫	32.44	2.10	23.39	14.54	0

下载: 导出CSV

表 6 宁夏所辖区划2020年1月1日迁徙指数相对误差统计 %

行政区划	银川	石嘴山	吴忠	固原	中卫
银川	−	0.03	0.02	0.07	0.01
石嘴山	0.05	−	0.24	0.06	0.09
吴忠	0.02	0.15	−	0.18	0.01
固原	0.01	0.01	0.12	−	0.01
中卫	0.05	0.30	0.00	0.02	−

下载: 导出CSV

表 7 迁徙规模指数尾数统计

末位尾数	频数	末位尾数	频数
0	19 228	5	0
1	0	6	18 981
2	19 151	7	0
3	0	8	19 196
4	19 034	9	0

下载: 导出CSV

表 8 迁徙规模指数数据访问必要参数

参数	取值范围	意义
dt	city, province, country	行政区划级别
id	GB/T2260-2007^[32]	行政区划代码
type	move_in, move_out	迁徙方向

下载: 导出CSV

表 9 迁徙百分比数据访问必要参数

参数	取值范围	意义
dt	city, province, country	行政区划级别
id	GB/T2260-2007	行政区划代码
type	move_in, move_out	迁徙方向
date	20200110~20200315	数据统计日期

下载: 导出CSV

表 10 污染数据与真实数据对比示例

位次	污染数据		真实数据
位次	区划	百分比/%	区划	百分比/%
1	重庆市	1.56	乐东黎族自治县	10.77
2	成都市	1.36	陵水黎族自治县	7.55
3	广州市	1.25	海口市	6.74
$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $	$\vdots $
*注：不同爬取节点的污染数据可能有差异。

下载: 导出CSV

参考文献(14)

[1]	庄力健,高增梁,王效贵,等.16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟[J].压力容器,2007,24(3):1-7.
[2]	熊缨,陈冰冰,郑三龙,等.16MnR钢在不同条件下的疲劳裂纹扩展规律[J].金属学报,2009,45(7):849-855.
[3]	束德林,编.工程材料力学性能[M].北京:机械工业出版社,2008:104-109.
[4]	殷之平,编.结构疲劳与断裂[M].西安:西北工业大学出版社,2012:82-83.
[5]	石德珂,金志浩,编.材料的力学性能[M].西安:西安交通大学出版社,2005:125-131.
[6]	倪向贵,李新亮,王秀喜.疲劳裂纹扩展规律Paris公式的一般修正及应用[J].压力容器,2006,23(12):8-15.
[7]	PARIS P,ERDOGAN F.A critical analysis of crack propagation laws[J].J.Basic.Eng.1963,85(4):528-534.
[8]	董达善,梅潇.Q235材料的Paris常数C、m及△K_th值测试[J].机械强度,2003,25(2):215-218.
[9]	盛伟,刘天琦,马少俊,等.不同条件下300M钢的疲劳裂纹扩展行为[J].机械工程材料,2017,41(6):17-24.
[10]	张亚军,李永军,梁健,等.螺旋桨用铜合金ZCuAl8Mn14Fe3Ni2的疲劳裂纹扩展特性[J].材料开发与应用,2010,25(5):1-3.
[11]	文磊磊,周昌玉,李建,等.TA2钛合金焊接接头不同区域的疲劳裂纹扩展速率[J].机械工程材料,2017,41(11):39-44.
[12]	吴学仁,编.飞机结构金属材料力学性能手册第3卷腐蚀疲劳[M].北京:航空工业出版社,1996:230-258.
[13]	YOKOBORI T,AIZAWA T.The influence of temperature and stress intensity factor upon the striation spacing and fatigue crack propagation rate of aluminum alloy[J].International Journal of Fracture,1973,9(4):489-491.
[14]	BATHIAS C,PINEAU A,著.材料与结构的疲劳[M].吴圣川,李源,王清远,译.北京:国防工业出版社,2016:146-147.