16MnR钢疲劳裂纹扩展速率及其断裂韧性的数值模拟

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在研究疲劳裂纹扩展行为时,通常会考虑到不同应力比加载的影响。本文通过一种新的基于材料循环塑性特性、增量形式的多轴疲劳损伤准则,来研究不同应力比对疲劳裂纹启裂和扩展的影响。该模型通过有限元软件(ABAQUS),运用循环塑性理论来分析裂纹区域的循环弹塑性应力应变场,进而利用该应力应变场计算疲劳损伤,最后通过疲劳裂纹启裂和扩展统一模型计算疲劳裂纹扩展速率。   根据以上原理,本文对16MnR钢在循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为进行数值模拟。分别在常幅加载(同一应力比)和变幅加载(不同应力比)条件下,详细分析了不同应力比对裂纹启裂和扩展的影响,同时对缺口尺寸、裂纹闭合等影响因素进行分析。结果表明:应力比为负时会出现明显的裂纹闭合现象;应力比为正时,在循环载荷的卸载阶段,残余压应力和裂纹尖端后方材料点的塑性变形会导致裂纹闭合。应力比越小,裂纹闭合现象越明显。裂纹闭合会减小裂尖附近材料点的循环塑性,因此阻碍裂纹扩展。裂纹闭合区域的扩展方向是由中心向前后两个方向同时扩展。大应力比加载时,在疲劳裂纹扩展的初始阶段,平均应变会由大减小。同一试样的疲劳裂纹扩展过程中,在其他条件不变的情况下,如果应力比发生变化,裂纹扩展速率也会发生显著变化。   疲劳断裂韧性作为材料的重要力学性能指标,在各种工程研究中有着广泛的应用。材料的疲劳断裂韧性和疲劳损伤在理论上存在着内在的联系。本文在疲劳裂纹启裂和扩展统一模型的基础上,计算出16MnR钢CT试样裂纹尖端附近区域的疲劳损伤,并且对照试验得到的疲劳断裂韧性,尝试在二者之间建立定量关系。  
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