第10期 谢卿等：氢致钢内部疲劳裂纹萌生和扩展的有限元分析 1317· G.(t)=G F=F(t) J(t).n =0 U(x)=0 C(t)=C 5μm J(t)-n=0 J八t)n=0队切）=0 20m 图2有限元模型及其边界条件 Fig.2 FEM model and its boundary conditions K主导区下限的尺寸要求，用式(15)作为裂纹萌 当裂纹扩展一定时间后需要重新建模，因为随着 生的判据是合适的.同时由于载荷较小，计算结果 裂纹的扩展右侧位移和浓度边界已不再满足实际 也显示K1比KH小一个数量级，将椭圆形空洞视 情况. 为I型裂纹偏于安全. (4)本文只考虑材料的弹性变形，研究塑性变 (2)模型在整个材料内部是很小的一个区域， 形对裂纹扩展的影响将在后续工作中展开，因此氢 且空洞的应力和氢含量状态可以通过建立合理的边 陷阱浓度一将一直保持在初始状态.虽然不考虑 界条件使其不会影响模型外边界.假设外边界浓度 塑性变形，但材料内初始氢陷阱也会对氢扩散产生 一直保持初始氢含量，即属于第一类边界条件，空 一定的影响，最直观的就是陷阱捕获了一部分氢， 洞和裂纹尺寸比较小，扩散到空洞的氢很少且很快 造成可扩散氢减少和富集速度的降低，后文讨论中 会与内部平衡，所以假设内边界是绝缘的，即属于 的氢含量都为CT和C的总量. 第二类边界条件，其上外法线方向的氢扩散通量为 4.2工况 零，由于材料均匀性、几何尺寸与载荷对称性可知 本文计算了图2中的模型在不同载荷幅值、加 模型左边界和底部边界上的外法线方向的氢扩散通 载频率和初始浓度下的氢扩散和裂纹扩展的结果. 量为零，属于第二类边界条件 计算使用的参数和材料参数如表1所示，本文中疲 (3)模拟裂纹扩展的过程时，按节点顺序去掉 劳应力比全部为零，表中没有赋值的参数表示在计 模型底部y方向位移约束然后重新计算应力场.但 算中将取不同的值.材料参数主要来自文献12. 表1模型计算参数 Table 1 Calculation parameters of the model 符号 取值 符号 取值 密度，pv(kgm-3) 7870 弹性模量，E/GPa 207 泊松比，v 0.3 扩散系数，D/(m2s1) 1.27×10-8 晶格间隙浓度，N/m-3 5.1×1029 氢陷阱浓度，Nr/m-3 1×1021 氢偏摩尔体积，组/(m3mol-1) 2.0×10-6 温度，T/℃ 300 疲劳应力比，T 0 本文主要目的是探寻有限元模拟氢致裂纹萌生 子充分扩散后的结果.图3所示为裂尖节点氢含量 和扩展的可行性和基本规律，所以模型没有取一个 和KH与加载周次之间的关系.工况为：载荷频率20 足以完成整个疲劳寿命预测的尺寸.计算耗时的原 kHz:载荷幅值200MPa:初始氢质量分数C为 因，本文参数设置时也主要选取比较容易总结出规 30×10-8.图中曲线由每次加载达到峰值时的浓度 律的参数，没有针对某种实际工况进行完整计算. 和KH值拟合而成.由图可以看出，由于模型单元 5计算结果与讨论 划分比较细密，形状差别不大且规则，所以KH表 5.1准稳态扩散 现出与浓度一样的增长趋势.后文讨论的缺陷周围 本文首先计算不考虑裂纹扩展的情况下氢原 氢含量变化规律同样适用于KH·此外还可以看到