·58 工程科学学报，第37卷，第1期 大载荷和最小载荷)下的疲劳裂纹扩展行为研究表 扩展试验在MTS810疲劳试验机上进行，在室温下采 明：裂纹扩展速率da/dW不仅与应力强度因子范围 用正弦交变载荷，频率为15Hz.裂纹长度的测量采 △K有关，还与最大应力强度因子Km有关.另一方 用柔度法，通过对测量加载点位移和作用载荷计算 面，Elber提出了“塑性诱导裂纹闭合”的理论：在一 柔度，载荷信号和加载点位移信号由计算机自动采 个周期内，载荷只有超过裂纹的张开载荷P才促使裂 集和处理，实现裂纹长度的自动检测.试验前，为了 纹扩展.但P因测量技术和测量位置的不同而不同， 消除线切割对缺口的影响，采用降△K法预制疲劳 因此不能统一描述裂纹的扩展行为@.为了预测不 裂纹 同载荷比下恒幅载荷的裂纹扩展行为，Walker提出 了用△K和K表示的两参数模型.Wheeler四基于裂 纹尖端塑性区的修正提出了Wheeler模型，引入迟滞 参数描述变幅载荷下的裂纹扩展行为. 本文采用紧凑拉伸(CT)试样研究Z3CN20-O9M 铸造奥氏体不锈钢在不同载荷比、单峰过载和两步高一 低幅加载下的疲劳裂纹扩展行为，通过试验研究，分别 用两参数模型和Wheeler模型预测恒幅载荷和变幅载 荷下的裂纹扩展. 40 10, 50 1试验材料及方法 图2紧凑拉伸试样尺寸（单位：mm) 试验材料是Z3CN20-09M铸造奥氏体不锈钢，其 Fig.2 Dimensions of a compact tension specimen (unit:mm) 主要化学成分（质量分数，%）为：C,0.027;N, 0.031:Cr,20.19:Ni,8.92:Si,1.27;Mn,1.13; 本文进行三种不同类型的疲劳裂纹扩展试验：不 Mo,0.21:Fe,余量.组织形貌如图1所示，黑色的为 同载荷比下的恒幅载荷试验、单峰过载试验和两步高一 不规则的岛状铁素体，灰色的为奥氏体，用金相法统计 低幅加载试验.四种不同的载荷比R(0.1、0.3、0.5 的铁素体质量分数约为14%.Z3CN20-09M铸造奥氏 和0.7)用于恒幅载荷试验，其试验条件如表2所示 体不锈钢室温力学性能如表1所示 为了研究过载对裂纹扩展行为的影响，三个试样在恒 幅载荷试验时，裂纹扩展到一定的条件下加一个单峰 过载（如图3），然后裂纹继续受到恒幅载荷的作用：三 个过载试验的载荷比R都为0.1，过载比OLR(OLR= (PoL-P)I(Ps-P）,PoL表示过载时的最大载 荷)分别为1.5、2和2.5，过载时加载频率为0.05Hz, 单峰过载的试验条件如表3所示.三个试样在两步 高一低幅载荷下进行疲劳裂纹扩展试验，具体的试验 程序是：第一个试样保持前后两步的最大载荷不变 (如图4())：第二个试样保持前后两步的最小载荷不 变（如图4(b)):第三个试样保持前后两步的载荷比 100m 不变（如图4(c).两步高-低幅载荷的试验条件如 图1Z3CN20-09M不锈钢显微组织 表4所示 Fig.1 Microstructure of 23CN20-09M stainless steel 表1Z3CN20-09M不锈钢的力学性能 过载 Table 1 Mechanical properties of 73CN20-9M stainless steel 屈服强度， 抗拉强度， 延伸率， 弹性模量， Co.2/MPa /MPa A1% E/GPa 243 537 53.1 176 时间 疲劳裂纹扩展试验采用的是标准CT试样，尺寸 图3恒幅载荷时的单峰过线 如图2所示.按照ASTM E647-H1要求围，疲劳裂纹 Fig.3 Schematie illustration of single tensile overload in constant amplitude loading工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 大载荷和最小载荷) 下的疲劳裂纹扩展行为研究表 明: 裂纹扩展速率 da / dN 不仅与应力强度因子范围 ΔK 有关，还与最大应力强度因子 Kmax 有关． 另一方 面，Elber［9］提出了“塑性诱导裂纹闭合”的理论: 在一 个周期内，载荷只有超过裂纹的张开载荷 Pop才促使裂 纹扩展． 但 Pop因测量技术和测量位置的不同而不同， 因此不能统一描述裂纹的扩展行为［10］． 为了预测不 同载荷比下恒幅载荷的裂纹扩展行为，Walker［11］提出 了用 ΔK 和 Kmax表示的两参数模型． Wheeler［12］基于裂 纹尖端塑性区的修正提出了 Wheeler 模型，引入迟滞 参数描述变幅载荷下的裂纹扩展行为． 本文采用紧凑拉伸( CT) 试样研究 Z3CN20--09M 铸造奥氏体不锈钢在不同载荷比、单峰过载和两步高-- 低幅加载下的疲劳裂纹扩展行为，通过试验研究，分别 用两参数模型和 Wheeler 模型预测恒幅载荷和变幅载 荷下的裂纹扩展． 1 试验材料及方法 试验材料是 Z3CN20--09M 铸造奥氏体不锈钢，其 主要 化 学 成 分 ( 质 量 分 数，% ) 为: C，0. 027; N， 0. 031; Cr，20. 19; Ni，8. 92; Si，1. 27; Mn，1. 13; Mo，0. 21; Fe，余量． 组织形貌如图 1 所示，黑色的为 不规则的岛状铁素体，灰色的为奥氏体，用金相法统计 的铁素体质量分数约为 14% ． Z3CN20--09M 铸造奥氏 体不锈钢室温力学性能如表 1 所示． 图 1 Z3CN20--09M 不锈钢显微组织 Fig． 1 Microstructure of Z3CN20--09M stainless steel 表 1 Z3CN20--09M 不锈钢的力学性能 Table 1 Mechanical properties of Z3CN20--09M stainless steel 屈服强度， σ0. 2 /MPa 抗拉强度， σm /MPa 延伸率， A /% 弹性模量， E /GPa 243 537 53. 1 176 疲劳裂纹扩展试验采用的是标准 CT 试样，尺寸 如图 2 所示． 按照 ASTM E647--11 要求［13］，疲劳裂纹 扩展试验在 MTS810 疲劳试验机上进行，在室温下采 用正弦交变载荷，频率为 15 Hz． 裂纹长度的测量采 用柔度法，通过对测量加载点位移和作用载荷计算 柔度，载荷信号和加载点位移信号由计算机自动采 集和处理，实现裂纹长度的自动检测． 试验前，为了 消除线切 割 对 缺 口 的 影 响，采 用 降 ΔK 法 预 制 疲 劳 裂纹． 图 2 紧凑拉伸试样尺寸 ( 单位: mm) Fig． 2 Dimensions of a compact tension specimen ( unit: mm) 图 3 恒幅载荷时的单峰过载 Fig． 3 Schematic illustration of single tensile overload in constant amplitude loading 本文进行三种不同类型的疲劳裂纹扩展试验: 不 同载荷比下的恒幅载荷试验、单峰过载试验和两步高-- 低幅加载试验． 四种不同的载荷比 Ｒ ( 0. 1、0. 3、0. 5 和 0. 7) 用于恒幅载荷试验，其试验条件如表 2 所示． 为了研究过载对裂纹扩展行为的影响，三个试样在恒 幅载荷试验时，裂纹扩展到一定的条件下加一个单峰 过载( 如图 3) ，然后裂纹继续受到恒幅载荷的作用; 三 个过载试验的载荷比 Ｒ 都为 0. 1，过载比OLＲ( OLＲ = ( POL － Pmin ) /( Pmax － Pmin ) ，POL 表示过载时的最大载 荷) 分别为 1. 5、2 和 2. 5，过载时加载频率为 0. 05 Hz， 单峰过载的试验条件如表 3 所示． 三个试样在两步 高--低幅载荷下进行疲劳裂纹扩展试验，具体的试验 程序是: 第一个试样保持前后两步的最大载荷不变 ( 如图 4( a) ) ; 第二个试样保持前后两步的最小载荷不 变( 如图 4( b) ) ; 第三个试样保持前后两步的载荷比 不变( 如图 4( c) ) ． 两步高--低幅载荷的试验条件如 表 4 所示． · 85 ·