基于位错理论的疲劳裂纹扩展特性研究

论文摘要

疲劳裂纹是引起工件失效的一个重要原因,目前主要是基于断裂力学理论来解决这个问题,却无法从本质上解释疲劳裂纹扩展特性。基于位错理论出发就能够很好地研究疲劳裂纹的扩展特性,但是现阶段基于位错理论一般只是针对于疲劳裂纹扩展I阶段,对于扩展的全程特性研究还很不完善,从位错理论研究疲劳裂纹扩展特性有着重要意义。在研究I型裂纹的扩展方向时,由于实际状况下的位错结构十分复杂的,所以建立适当的数学模型来简化裂纹尖端的位错群是必要的。本文用大位错模型来替代实际晶体当中的离散位错,简化了位错模型,能够比较方便的计算出位错与裂纹共同作用下裂纹尖端的应力场分布情况,并发现裂纹尖端的应力分布受到外加应力强度因子和晶格摩擦力的影响。结果表明裂纹尖端的应力峰值会随着应力强度因子增加而增加,同时还会随着晶格摩擦力减小而增大。通过对裂纹尖端各个滑移面的应力进行计算发现应力集中极大值一直出现在主裂纹面上,所以I型裂纹扩展的方向总是沿着主裂纹面的方向,不会随着外加条件变化而改变。?目前基于微观位错理论得出的疲劳裂纹扩展速率表达式主要是反映疲劳裂纹扩展第一阶段的特点。本文利用连续位错模型,并结合能量守恒理论,得出疲劳裂纹扩展速率的表达式。在计算裂纹‐位错系统的总势能时,位错发射过程当中克服晶格摩擦力所引起的耗散能以及位错‐位错相互作用能、位错‐裂纹相互作用能都被考虑进去。通过对位错、裂纹共同作用下在裂纹尖端所产生的应力、应变场的计算,可以求得裂纹尖端的应变能密度,并将它替代位错‐位错相互作用能与位错‐裂纹相互作用能,改进了现有的疲劳裂纹扩展速率公式。结合能量守恒定理与连续位错理论得到的疲劳裂纹扩展速率公式与传统的疲劳裂纹扩展速率表达式有着很好的一致性,并且和实验数据也有很好的吻合,结果能够很准确很好地反映出裂纹扩展第二、三阶段的扩展特点。该疲劳裂纹速率公式还可以直接反映出频率以及应力比对裂纹扩展速率的影响,因此公式可以直接运用于对不同频率以及应力比下疲劳裂纹扩展速率的预测。?

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 裂纹扩展方向的研究状况
• 1.2 疲劳裂纹扩展速率的研究状况
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 位错力学理论
• 2.1 I型位错应力场、位移场
• 2.2 位错受力情况
• 2.3 像位错
• 2.4 本章小结
• 第三章 应力集中对于 I 型裂纹扩展方向的影响
• 3.1 I型裂纹尖端应力分布
• 3.1.1 平面映射
• 3.1.2 应力、应变场的求解
• 3.2 位错和像位错的处理
• 3.3 应力分析
• 3.3.1 不同外加应力下裂纹尖端的应力分布
• 3.3.2 不同晶格摩擦力下裂纹尖端的应力分布
• 3.3.3 裂纹尖端不同滑移面的应力分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 交变载荷下疲劳裂纹扩展速率研究
• 4.1 位错密度函数的建立
• 4.2 基于能量理论的疲劳裂纹扩展速率
• 4.3 疲劳裂纹扩展速率的验证
• 4.3.1 经典理论公式结果
• 4.3.2 不同频率和应力比条件下的疲劳裂纹扩展速率
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 总结
• 5.2 创新点
• 5.3 展望与前景预测
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间论文发表情况）