金属材料裂纹扩展Paris律的模拟方法与应用

石凯凯，蔡力勋，黄学伟，姚 迪

（西南交通大学力学与工程学院，四川 成都 610031）

0 引 言

疲劳寿命一直是疲劳研究的核心问题之一。20世纪60年代断裂力学进入工程领域以来，疲劳裂纹扩展规律的描述公式以Paris模型为代表

式中：a——裂纹长度；

N——循环次数；

ΔK——应力强度因子幅；

C，m——材料常数。

试验研究和数值模拟是目前研究材料疲劳裂纹扩展速率的主要途径。试验方面，国内外学者研究了不同载荷比R、卸载和过载等对材料疲劳裂纹扩展速率的影响[1-3]。数值模拟方面，其研究主要表现为：用材料的疲劳裂纹扩展速率规律预测结构的疲劳裂纹扩展[4-6]；基于多轴本构关系、临界损伤，预测了材料的疲劳裂纹扩展速率[7]。因数值模拟中采用多轴本构模型，故在模拟计算时有较多人为可调参数，所以对该方法的预测准确度和可靠性还需要进一步研究。该文应用材料低周疲劳（low cycle fatigue，LCF）试验获得的Manson-Coffin律，通过有限元分析方法（finite element analysis，FEA）实现了材料疲劳裂纹扩展（fatigue crack growth，FCG）性能的数值模拟，该模拟方法称为LFF（LCF-low cycle fatigue+FCP-fatigue crack propagation+FEA-finite element analysis）方法。

该文结合Cr2Ni2MoV转子材料、TA12合金和TC4合金材料的单轴低周疲劳性能数据，通过LFF法和CT试样对材料疲劳裂纹扩展行为进行分析，将模拟结果与文献[8]中的疲劳裂纹扩展数据比对，说明LFF法的可行性；之后通过数值模拟给出了N18合金材料不同温度下I型裂纹的疲劳扩展行为。

1 LFF方法

1.1 LFF方法的机理

描述材料疲劳裂纹扩展速率的Paris公式与低周疲劳Manson-Coffin（M-C）律表征的都是材料塑性疲劳的固有特性，且二者都是基于比例加载获得；……