D0L:10.13374.issn1001-053x.2011.06.002 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 I一Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率 王建国四李璐王连庆 王红缨 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 通信作者，E-mail:jianguo@usth.edu.cn 摘要通过有限元数值模拟和疲劳裂纹扩展试验，研究了铝合金材料在【一Ⅲ复合型加载条件下的疲劳裂纹扩展规律，得 到了在不同加载情况下裂纹的应力强度因子、裂纹前缘能量场和塑性区半径.在分析I型拉力载荷对裂纹扩展的基础上，着 重分析了Ⅲ型加载对I型裂纹应力强度因子及裂纹前缘能量场的影响.结果表明：应力强度因子K,随着Ⅲ型加载的增大而 减小，而裂纹附近塑性区半径增大.进行Ⅲ型静态加载会使疲劳裂纹扩展速率减小，在一定范围内，I一Ⅲ复合型疲劳裂纹扩 展速率随着Ⅲ型加载的增加而减小：而在进行Ⅲ型循环加载会使疲劳裂纹扩展速率增大，在一定范围内，【一Ⅲ复合型疲劳裂 纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而增大， 关键词材料疲劳：铝合金：疲劳裂纹扩展：应力强度因子：加载 分类号TG146.2 Fatigue crack growth rate of aluminum alloys under I II combined loading WANG Jian-guo,LI Lu,WANG Lian-qing,WANG Hong-ying State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jianguo@ustb.edu.cn ABSTRACT Fatigue crack propagation laws of aluminum alloys under I-IlI combined loading were investigated by finite element simulation and fatigue crack growth experiment,and the stress intensity factors under various loading conditions,the energy field around the crack front and the radius of the plastic zone were obtained.The effects of mode IlI loading on the energy field around the crack front and the stress intensity factor under mode I loading were analyzed on the basis of studies on mode I loading.Numerical results show that under the condition of I-IlI combined loading,the stress intensity factor decreases with the increasing of mode IlI loading,but the radius of the plastic zone near the crack increases.Mode l static loading can slow down fatigue crack propagation, and to some extent,the fatigue crack growth rate under combined I-IlI loading decreases with the increasing of mode llI static load- ing.Mode llI cyclic loading can speed up fatigue crack propagation,and to some extent,the fatigue crack growth rate under III combined loading increases with the increasing of mode Ill loading. KEY WORDS fatigue of materials:aluminum alloys;fatigue crack propagation;stress intensity factors;loading 工程实际中零部件往往在低于设计许用应力情 不是简单的单一型裂纹.例如，轴类零件、压力容器 况下发生失稳、断裂等事故，其主要原因是构件本身 及桨叶片的裂纹是I一Ⅲ复合型的：航空与船舶结 在反复载荷作用下出现疲劳裂纹，裂纹的进一步扩 构中的加筋和壳体的裂纹往往是张开型和滑开型 展最终导致构件的断裂破坏.这一现象已经引起了 （I一Ⅱ型)并存的复合型裂纹. 国内外专家学者的关注 关于复合型裂纹扩展研究，邢文珍等Ⅲ采用投 目前，单纯的I、Ⅱ和Ⅲ型裂纹的研究己经比较 深入，包括弹性应力场方程式、弹塑性方面推导、裂 影法对I一Ⅱ型复合型裂纹扩展进行了研究，高桦、 纹扩展速率的经验公式以及门槛值等.但是，零部 田常海等-)利用斜裂纹梁研究了I一Ⅲ复合裂纹 件在工作时承受多轴向循环载荷，结果在应力集中 扩展特性，于慧臣、杨风鹏采用拉扭复合加载分析了 或缺陷的部位产生损伤而形成裂纹，实际裂纹往往 I一Ⅲ型复合裂纹扩展规律而，张莉、李慧芳、 收稿日期：201007-26第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 Ⅰ--Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率 王建国 李 璐 王连庆 王红缨 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: jianguo@ ustb． edu． cn 摘 要 通过有限元数值模拟和疲劳裂纹扩展试验，研究了铝合金材料在Ⅰ--Ⅲ复合型加载条件下的疲劳裂纹扩展规律，得 到了在不同加载情况下裂纹的应力强度因子、裂纹前缘能量场和塑性区半径． 在分析Ⅰ型拉力载荷对裂纹扩展的基础上，着 重分析了Ⅲ型加载对Ⅰ型裂纹应力强度因子及裂纹前缘能量场的影响． 结果表明: 应力强度因子 KⅠ 随着Ⅲ型加载的增大而 减小，而裂纹附近塑性区半径增大． 进行Ⅲ型静态加载会使疲劳裂纹扩展速率减小，在一定范围内，Ⅰ--Ⅲ复合型疲劳裂纹扩 展速率随着Ⅲ型加载的增加而减小; 而在进行Ⅲ型循环加载会使疲劳裂纹扩展速率增大，在一定范围内，Ⅰ--Ⅲ复合型疲劳裂 纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而增大． 关键词 材料疲劳; 铝合金; 疲劳裂纹扩展; 应力强度因子; 加载 分类号 TG146. 2 Fatigue crack growth rate of aluminum alloys under Ⅰ-Ⅲ combined loading WANG Jian-guo ，LI Lu，WANG Lian-qing，WANG Hong-ying State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: jianguo@ ustb． edu． cn ABSTRACT Fatigue crack propagation laws of aluminum alloys under Ⅰ-Ⅲ combined loading were investigated by finite element simulation and fatigue crack growth experiment，and the stress intensity factors under various loading conditions，the energy field around the crack front and the radius of the plastic zone were obtained． The effects of mode Ⅲ loading on the energy field around the crack front and the stress intensity factor under mode Ⅰ loading were analyzed on the basis of studies on mode Ⅰ loading． Numerical results show that under the condition of Ⅰ-Ⅲ combined loading，the stress intensity factor decreases with the increasing of mode Ⅲ loading，but the radius of the plastic zone near the crack increases． Mode Ⅲ static loading can slow down fatigue crack propagation， and to some extent，the fatigue crack growth rate under combined Ⅰ-Ⅲ loading decreases with the increasing of mode Ⅲ static load￾ing． Mode Ⅲ cyclic loading can speed up fatigue crack propagation，and to some extent，the fatigue crack growth rate under Ⅰ-Ⅲ combined loading increases with the increasing of mode Ⅲ loading． KEY WORDS fatigue of materials; aluminum alloys; fatigue crack propagation; stress intensity factors; loading 收稿日期: 2010--07--26 工程实际中零部件往往在低于设计许用应力情 况下发生失稳、断裂等事故，其主要原因是构件本身 在反复载荷作用下出现疲劳裂纹，裂纹的进一步扩 展最终导致构件的断裂破坏． 这一现象已经引起了 国内外专家学者的关注． 目前，单纯的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型裂纹的研究已经比较 深入，包括弹性应力场方程式、弹塑性方面推导、裂 纹扩展速率的经验公式以及门槛值等． 但是，零部 件在工作时承受多轴向循环载荷，结果在应力集中 或缺陷的部位产生损伤而形成裂纹，实际裂纹往往 不是简单的单一型裂纹． 例如，轴类零件、压力容器 及桨叶片的裂纹是Ⅰ--Ⅲ复合型的; 航空与船舶结 构中的加筋和壳体的裂纹往往是张开型和滑开型 ( Ⅰ--Ⅱ型) 并存的复合型裂纹． 关于复合型裂纹扩展研究，邢文珍等［1］采用投 影法对Ⅰ--Ⅱ型复合型裂纹扩展进行了研究，高桦、 田常海等［2--3］利用斜裂纹梁研究了Ⅰ--Ⅲ复合裂纹 扩展特性，于慧臣、杨风鹏采用拉扭复合加载分析了 Ⅰ--Ⅲ 型复合裂纹扩展规律［4--6］，张 莉、李 慧 芳、 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.002