第6期 王建国等：I一Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率 ·737· 加载，试验结果如图8所示.从图8中可以看出，在 相同扭矩的条件下，当仅施加静扭矩时其疲劳裂纹 扩展速率均有所降低，当在施加I型循环载荷的同 时施加Ⅲ型循环扭矩，则其疲劳裂纹扩展速率均有 所提高. 10 材料2124铝合金厚板 R=0.06 10 Hz 10 温度：室蓄 10 0 CT 口T=100Nm■7-0Nm 3BP2-6 W=80 mm 3HP2-2 8-20 mm 3BP2.12 10 图6裂纹尖端单元能量场分布图(P=10kN,a/W=0.4) 3BP2-12T=-0 Fig.6 Energy distribution near the crack tip (P=10kN,a/ 3BP2-7.7-120NmR-1.00 W=0.4) 3BP2-7.T=120Nm=0.06) 78910 20 30 (MPa.m) 两边的疲劳裂纹长度，同时记录循环周次.采用载 荷和扭矩控制方式，比例加载，加载频率为6Hz,载 图8I-Ⅲ型复合循环加载下的△K与da/dN的关系 荷比R均为0.1. Fig.8 AK-da/dN under I-lll cyclic combined loading 2.2试验结果 2.3结果分析 2.2.1I型循环载荷 从图7和图8可以看出，在I型加载时如果施 首先对3BPI-10试件仅施加I型循环加载（循 加Ⅲ型静载荷，会使疲劳裂纹扩展速率明显下降；如 环最大载荷为8kN),该加载下的疲劳裂纹扩展速 果此时把Ⅲ型静载荷改为Ⅲ型循环载荷，可以发现 率特性曲线如图7所示 疲劳裂纹扩展速率小幅上升，几乎达到原来水平. 1心[材料224借合金厚瓦 因此看以得出，Ⅲ型静载荷有抑制疲劳裂纹扩展的 10 R-0.06 作用，而Ⅲ型循环载荷则有促进疲劳裂纹扩展的 f=10h 温度：室温 作用. 通过疲劳裂纹扩展试验还可以知道，在I一Ⅲ W=80 mm ,3BP1-6 B=20 mm 复合型加载作用下，Ⅲ型加载载荷类型的顺序不会 310- 3BP1-7 3BP1-13 104 -3BP1-10 改变其影响疲劳裂纹的扩展速率的作用.即不论先 .3BP1-10,7=100Nm(R=0.10) ·3BP-10.T=50Nm=1.00 加载疲劳载荷还是后加载疲劳载荷，都可以看到静 10 5678910 20304050 载荷和疲劳载荷各自对裂纹扩展的影响.这说明疲 △MPam 劳裂纹的扩展速率与Ⅲ型加载的路径无关 图7I型动载-Ⅲ型静载下△K与da/dW的关系 对于试验结果与计算机数值模拟结果与其进行 Fig.7△Kda/dN under mode I cyclic loading andⅢ 对比，发现在I型载荷的基础上加上Ⅲ型静态载荷 static loading 的作用后，应力强度因子K,的下降可以证明Ⅲ型静 2.2.2I型循环载荷+Ⅲ型静载复合加载 载对I型疲劳裂纹扩展有抑制作用：同时，裂纹前缘 为了观察Ⅲ型静载对I型加载的疲劳裂纹扩展 单元在裂纹扩展方向的能量值下降也同样证明这 速率的影响，对3BP1-10试件施加I型循环载荷的 一点 同时，对其施加Ⅲ型静态载荷，静态扭矩为T= 3结论 150Nm（载荷比R=1),试验结果如图7所示.在 I一Ⅲ复合型加载的情况下，红色圆点代表施加了 (1)在I型拉力载荷作用下，裂纹前缘所在直 T=150Nm静扭矩时△K与疲劳裂纹扩展速率da/ 线上K,在中性面两侧几乎成对称分布，在边缘处 dN的变化趋势. K,的值最小，在中心处K,的值最大，但整体上看两 2.2.3I型+Ⅲ型循环复合加载 侧相差并不明显.在施加静扭矩之后，裂纹前缘I 为了研究Ⅲ型动载对I型加载的疲劳裂纹扩展 型裂纹应力强度因子K,沿着厚度方向坐标重新分 速率的影响，对3BFP2-7试件施加I一Ⅲ型复合循环 布，最大值变大，最小值变小，平均值变小第 6 期 王建国等: Ⅰ--Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率 图 6 裂纹尖端单元能量场分布图( P = 10 kN，a /W = 0. 4) Fig． 6 Energy distribution near the crack tip ( P = 10 kN，a / W = 0. 4) 两边的疲劳裂纹长度，同时记录循环周次． 采用载 荷和扭矩控制方式，比例加载，加载频率为 6 Hz，载 荷比 R 均为 0. 1． 2. 2 试验结果 2. 2. 1 Ⅰ型循环载荷 首先对 3BP1--10 试件仅施加Ⅰ型循环加载( 循 环最大载荷为 8 kN) ，该加载下的疲劳裂纹扩展速 率特性曲线如图 7 所示． 图 7 Ⅰ型动载--Ⅲ型静载下 ΔK 与 da /dN 的关系 Fig． 7 ΔK-da /dN under mode Ⅰ cyclic loading and Ⅲ static loading 2. 2. 2 Ⅰ型循环载荷 + Ⅲ型静载复合加载 为了观察Ⅲ型静载对Ⅰ型加载的疲劳裂纹扩展 速率的影响，对 3BP1--10 试件施加Ⅰ型循环载荷的 同时，对 其 施 加 Ⅲ 型 静 态 载 荷，静 态 扭 矩 为 T = 150 N·m ( 载荷比 R = 1) ，试验结果如图 7 所示． 在 Ⅰ--Ⅲ复合型加载的情况下，红色圆点代表施加了 T = 150 N·m 静扭矩时 ΔK 与疲劳裂纹扩展速率 da / dN 的变化趋势． 2. 2. 3 Ⅰ型 + Ⅲ型循环复合加载 为了研究Ⅲ型动载对Ⅰ型加载的疲劳裂纹扩展 速率的影响，对 3BP2--7 试件施加Ⅰ--Ⅲ型复合循环 加载，试验结果如图 8 所示． 从图 8 中可以看出，在 相同扭矩的条件下，当仅施加静扭矩时其疲劳裂纹 扩展速率均有所降低，当在施加Ⅰ型循环载荷的同 时施加Ⅲ型循环扭矩，则其疲劳裂纹扩展速率均有 所提高． 图 8 Ⅰ--Ⅲ型复合循环加载下的 ΔK 与 da /dN 的关系 Fig． 8 ΔK-da /dN under Ⅰ-Ⅲ cyclic combined loading 2. 3 结果分析 从图 7 和图 8 可以看出，在Ⅰ型加载时如果施 加Ⅲ型静载荷，会使疲劳裂纹扩展速率明显下降; 如 果此时把Ⅲ型静载荷改为Ⅲ型循环载荷，可以发现 疲劳裂纹扩展速率小幅上升，几乎达到原来水平． 因此看以得出，Ⅲ型静载荷有抑制疲劳裂纹扩展的 作用，而Ⅲ型循环载荷则有促进疲劳裂纹扩展的 作用． 通过疲劳裂纹扩展试验还可以知道，在Ⅰ--Ⅲ 复合型加载作用下，Ⅲ型加载载荷类型的顺序不会 改变其影响疲劳裂纹的扩展速率的作用． 即不论先 加载疲劳载荷还是后加载疲劳载荷，都可以看到静 载荷和疲劳载荷各自对裂纹扩展的影响． 这说明疲 劳裂纹的扩展速率与Ⅲ型加载的路径无关． 对于试验结果与计算机数值模拟结果与其进行 对比，发现在Ⅰ型载荷的基础上加上Ⅲ型静态载荷 的作用后，应力强度因子 KⅠ的下降可以证明Ⅲ型静 载对Ⅰ型疲劳裂纹扩展有抑制作用; 同时，裂纹前缘 单元在裂纹扩展方向的能量值下降也同样证明这 一点． 3 结论 ( 1) 在Ⅰ型拉力载荷作用下，裂纹前缘所在直 线上 KⅠ在中性面两侧几乎成对称分布，在边缘处 KⅠ的值最小，在中心处 KⅠ的值最大，但整体上看两 侧相差并不明显． 在施加静扭矩之后，裂纹前缘Ⅰ 型裂纹应力强度因子 KⅠ 沿着厚度方向坐标重新分 布，最大值变大，最小值变小，平均值变小． ·737·