轴类构件中表.pdf

板、轴类构件中表面裂纹
弯曲疲劳扩展规律
汪周琦
摘要
本文从断裂力学基本理论出发, 引入“相当能量率”概念, 给出一种表面裂纹疲劳
扩展的速率分析模型及一系列计算公式, 在探讨板、轴件中表面裂纹弯曲疲劳扩展规律
的基础上, 得到一种“用贯穿裂纹试件的实验结果预测表面裂纹构件疲劳寿命”的特性
线法, 提出三种方法预测“含横向表面裂纹园轴件”的疲劳寿命, 并为园轴中横向表面
裂纹的确定提供了一种途径。文中还给出了钻杆钢表面裂纹试件在弯曲疲劳时
扩展特性的初步研究。
表面裂纹疲劳问题对石油、化工、交通等工程领域中重要零部件的抗断设计有着普
遍意义。近年来一直被列为结构安全分析的重要课题之一, 并在板件表面裂纹计算及
其拉伸疲劳扩展规律分析方面取得了不少成果。但对于板件中表面裂纹弯曲疲劳时在
长、短轴方向各遵循不同规律的问题尚未得到妥善的描述办法, 对轴件中横向表面裂纹
疲劳问题还正待研究。本文结合石油矿场上构件的结构特点和工况条件, 探讨板、轴件
中表面裂纹弯曲疲劳扩展规律和寿命预测方法, 以期为这类构件的断裂分析提供一计算
基础。
基本模型与计算公式
据疲劳裂纹扩展的“塑性钝化再变尖”模型, 〔结合裂纹顶端屈服条件
孟一‘二兀侧一几了、, , 。〔〕
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一裂纹顶端曲率半径。
可将一次循环所对应的裂纹扩展量近似表为
△’, △
’一与材料性质有关的常数。
注本文为”级研究生论文, 由唐俊才、迟琳瑛、吾用明老师指导,
对于片状表面裂纹, 设其法向扩展量服从上式, 即
△’△,
每一循环所对应的裂纹面积扩展量
△一么‘。一, △。
一裂纹前缘曲线,
以此为基础建立表面裂纹疲劳扩展的速率分析模型
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、一材料的疲劳特性参数。
利用型裂纹的能量关系’, 亦可将上式表示为
,
器〔△。‘〕晋
积分值。‘反映了整个裂纹前缘在法向虚拟扩展单位长度时所释放的能量, 可用
厚度为七的贯穿裂纹扩展单位长度时所释放的能量来与之相当, 故称其为“相当能量
率”, 记为朴。式表明“裂纹面积扩展率与相当能量率幅值成指数规律”, 即
音合一〔, △· 〕号
该表达式中的几何参量“面积”“前缘曲线”反映了表面裂纹的三维特征, 而与
之间的关系恰好体现了裂纹前缘形态变化规律表达式中的力学参量价反映了裂纹前
缘分布故基本上抓住了控制表面裂纹疲劳扩展的主要力学因素和几何因素。
应用式时, 可按具体情况分别选作型式或型式。对于板、轴件表面裂纹的
弯曲疲劳问题, 计算公式是
,
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声砂—表面裂纹短轴尺寸
表面裂纹长轴半长。
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—试件厚度
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—表面裂纹沿深度方向的尺寸
、。
“—表面裂纹沿轴表面的尺寸所对弦长
贯穿裂纹
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二、肠钻杆钢表面裂纹试件弯曲疲劳扩展特性
试件材料及制备
试件是在寸钻杆管体上取制的, 裂纹面法线沿管体轴线, 裂纹扩展时最深点沿径
向, 即按实际构件中最危险的裂纹取向制
备。试件材料机械性能。、
盆, 。、生。试样如图
所示。
试验方法及设备
试件中表面裂纹是利用“小凸条”中
心的机械切口在疲劳过程中向平板本体部
’一’
份自然引发而产生的, 断面上的相应条
“”。目典
纹用降载勾线法显示出来试验在一
和程序控制高频疲劳机上
进行, 取载荷应力比一, , 图
。
三种有
试验结果及分析
疲劳裂纹扩展规律和速率表达式
实验结果表明, 裂纹前缘形态变化规律符合经验式
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深度方向、图线呈直线形, 不存在指数规律单位弧长上的面积扩展率为一常
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展速率与力学因素的关系应用式处理实验数据时, 速率分析的双对数图线在整个
稳态扩展阶段线性关系密切, 相关系数图对于不同的试件统一处理时
该材料的速率表达式为
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