吕绪明等：铸造奥氏体不锈钢的疲劳裂纹扩展 *61 不锈钢和Kalnaus等切对304L不锈钢的研究也发现 步的最小载荷不变（如图4(b),第三个试样保持前 了同样的现象.在图6中还可以得知，随着过载比的 后两步的载荷比不变（如图4(c).疲劳裂纹扩展速 增大，裂纹扩展的过载迟滞现象更严重. 率的试验结果如图7所示.两步高一低幅载荷下，若两 三个试样在两步高一低幅载荷下进行疲劳裂纹扩 步的最大载荷相同，第一载荷步对第二步的裂纹扩展 展试验，加载条件和试验的主要结果如表4所示.对 速率da/dW几乎无影响：若它们的最小载荷或载荷比 于三个试样，高载部分的载荷幅和低载部分的载荷幅 相同，则第一载荷步对后续的裂纹扩展有重大影响，与 都是相同的，不同的是对于第一个试样保持前后两步 引入单个拉伸过载对裂纹扩展现象一样，存在裂纹扩 的最大载荷不变（如图4(a)),第二个试样保持前后两 展迟滞现象 (a) 104 10 。一高载荷谱 。一低载荷谱 一Wheeler模型预测 10810立1416182022242628 裂纹长度，almm (b) (c) 10- 10 10 10- 高截荷诺 。一高载荷谱 。一低载荷谱 。一低载荷谱 Wheeler模型预测 一Wheeler模型预测 108102141618202242628 106 10121416182022242628 裂纹长度，a/mm 裂纹长度，almm 图7高-低幅载荷谱下的裂纹扩展行为.(a)最大载荷保持不变：(b)最小载荷保持不变：()载荷比保持不变 Fig.7 Crack growth behavior with high-low loading sequence:(a)the same maximum load in both loading steps:(b)the same minimum load in both loading steps:(c)the same R ratio in both loading steps 单周过载导致裂纹扩展速率降低，原因在于过载 (如图8(a)所示)：而图8(b)中，在过载线前方的范围 后裂纹尖端周围的受力情况和材料的性质发生了变 AB内，裂纹面存在表征裂纹闭合的摩擦现象 化，导致裂纹扩展的有效驱动力降低.过载后的瞬 两步高一低幅加载下，若两步的最大载荷相同，第 间将引起裂纹尖端钝化)，降低应力集中的程度，da/ 一载荷步相对第二载荷步没有过载情形，不存在裂纹 dW瞬间增大，但新的尖锐的裂纹一旦形成，增大趋势 迟滞现象：若它们的最小载荷或载荷比相同，第一载荷 就会消失，因此作用距离很短.根据塑性诱发的裂纹 步相对第二载荷步有过载情形，将导致裂纹扩展速率 闭合机理圆，裂纹尖端的塑性变形会出现永久残留应 的降低 变，所以当裂纹尖端穿过塑性区时，裂纹面提前接触， 3 疲劳裂纹生长模型 造成裂纹的闭合.单峰过载将产生一个大的塑性区， 当裂纹穿过该区域时，裂纹尖端会产生闭合现象，裂纹 由图5知对于恒幅载荷的裂纹扩展，裂纹扩展速 扩展速率降低.过载比越大，产生塑性区越大，裂纹扩 率da/dN不仅与应力强度因子范围△K有关，还与最 展的迟滞现象就越严重.图8是过载比OLR为2.5的 大应力强度因子K有关.考虑载荷比R对da/dN的 试样的断口形貌，在过载的位置留下了明显的过载线 影响，Walker用△K和K两个参数提出了有效应吕绪明等: 铸造奥氏体不锈钢的疲劳裂纹扩展 不锈钢和 Kalnaus 等［7］对 304 L 不锈钢的研究也发现 了同样的现象． 在图 6 中还可以得知，随着过载比的 增大，裂纹扩展的过载迟滞现象更严重． 三个试样在两步高--低幅载荷下进行疲劳裂纹扩 展试验，加载条件和试验的主要结果如表 4 所示． 对 于三个试样，高载部分的载荷幅和低载部分的载荷幅 都是相同的，不同的是对于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) ) ． 疲劳裂纹扩展速 率的试验结果如图 7 所示． 两步高--低幅载荷下，若两 步的最大载荷相同，第一载荷步对第二步的裂纹扩展 速率 da / dN 几乎无影响; 若它们的最小载荷或载荷比 相同，则第一载荷步对后续的裂纹扩展有重大影响，与 引入单个拉伸过载对裂纹扩展现象一样，存在裂纹扩 展迟滞现象． 图 7 高--低幅载荷谱下的裂纹扩展行为． ( a) 最大载荷保持不变; ( b) 最小载荷保持不变; ( c) 载荷比保持不变 Fig． 7 Crack growth behavior with high-low loading sequence: ( a) the same maximum load in both loading steps; ( b) the same minimum load in both loading steps; ( c) the same Ｒ ratio in both loading steps 单周过载导致裂纹扩展速率降低，原因在于过载 后裂纹尖端周围的受力情况和材料的性质发生了变 化，导致裂纹扩展的有效驱动力降低［16］． 过载后的瞬 间将引起裂纹尖端钝化［17］，降低应力集中的程度，da / dN 瞬间增大，但新的尖锐的裂纹一旦形成，增大趋势 就会消失，因此作用距离很短． 根据塑性诱发的裂纹 闭合机理［18］，裂纹尖端的塑性变形会出现永久残留应 变，所以当裂纹尖端穿过塑性区时，裂纹面提前接触， 造成裂纹的闭合． 单峰过载将产生一个大的塑性区， 当裂纹穿过该区域时，裂纹尖端会产生闭合现象，裂纹 扩展速率降低． 过载比越大，产生塑性区越大，裂纹扩 展的迟滞现象就越严重． 图 8 是过载比 OLＲ 为 2. 5 的 试样的断口形貌，在过载的位置留下了明显的过载线 ( 如图 8( a) 所示) ; 而图 8( b) 中，在过载线前方的范围 AB 内，裂纹面存在表征裂纹闭合的摩擦现象． 两步高--低幅加载下，若两步的最大载荷相同，第 一载荷步相对第二载荷步没有过载情形，不存在裂纹 迟滞现象; 若它们的最小载荷或载荷比相同，第一载荷 步相对第二载荷步有过载情形，将导致裂纹扩展速率 的降低． 3 疲劳裂纹生长模型 由图 5 知对于恒幅载荷的裂纹扩展，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． 考虑载荷比 Ｒ 对 da / dN 的 影响，Walker［11］用 ΔK 和 Kmax两个参数提出了有效应 · 16 ·