维普资讯 http://www.cqvip.com 第１７卷第１期 天津工程师范学院学报 Ｖｏ１．１７ Ｎｏ．１ ２００７年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩＡＮＪＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ＡＮＤ ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ Ｍａｒ．２００７ 应变疲劳对钢材延性断裂韧度 的影响 方陆鹏，孙建军，门长峰 （天津工程师范学院机械工程系，天津３００２２２） 摘要：应用应变疲劳能量损耗的理论和弹塑性断裂力学的，积分理论，初步探讨了钢材的应变循环加栽对延性断裂 韧度 的影响。通过对２０Ｇ钢和１６Ｍｎ热轧钢板两种钢材的应变循环加载前、后两种状态的延性断裂韧度屉测试数 据的比较，考察了这种影响的存在。测试结果表明，±ｏ．３％全应变控制的循环加载，经历５００周次后可使两种钢材的 数值产生１５％￣Ｘ上的改变量。对于２０Ｇ钢，这种变化与Ｒｉｃｅ给出的循环加载变形功与厂积分之间的函数关系相对应； 而对于１６Ｍｎ钢则有较大的差异，其原因有待于进一步的研究。 关键词：应变疲劳；循环加载；延性断裂韧度 中图分类号：ＴＢ３２０．３； 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１０１８（２００７）０１—００２１—０４ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｏｎ ＪＩｃ—－ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌｓ ＦＡＮＧ Ｌｕ・ｐｅｎｇ，ＳＵＮ Ｊｉａｎ・ｊｕｎ，ＭＥＮ Ｃｈａｎｇ・ｆｅｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｉｎｔｒｉｇｕｅ ｉｎ ｅｌａｓｔｏ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｙｃｌｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｏｎ Ｊｃ ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ Ｓ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ２０Ｇ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ １６Ｍｎ ｓｔｅｅｌ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｙｃｌｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｗａｓ ｌｏａｄｅｄ，ｔｈｅ ｉｌｆｎｕｅｎｃｅ ｗａｓ ｆｏｕｎｄｅｄ ｔｏ ｅｘｉｓｔ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｙｃｌｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｔｏｔａｌ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ±０．３％ａｆｔｅｒ ５００ ｃｙｃｌｅｓ ｈａｄ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔｅｅｌｓ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １５％．Ｆｏｒ ｔｈｅ ２０Ｇ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｗａｓ ｉｎ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｙｃｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｅｒ ｙｇｉｖｅｎ ｂｙ ＲＩＣＥ，ｂｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ １６Ｍｎ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｗｏｒｔｈ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｉｎ ｆａｔｉｕｇｅ；ｃｙｃｌｉｃ ｌｏａｄ；ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ 国内外学者对金属材料的断裂力学性能进行了 即工程结构的疲劳问题。要保证工程结构的安全使用， 不断深入的研究。金属材料的平面应变断裂韧度 ｃ、 就要不断深入研究影响疲劳寿命的各种因素 ’ 。在 延性断裂韧度 ｃ和裂纹扩展速率ｄａｌｄＮ等参数已广 工程实际中，发生疲劳断裂破坏的钢结构占有相当大 泛应用于对工程材料和工程构件的安全评定中。大量 的比例。目前，在对这些损坏的钢结构进行失效原因 实践表明，采用延性断裂韧度 ｃ对钢结构进行安全 和责任分析时。按照相应的评定规范的要求，从被评 评定是行之有效的。国内外均应用断裂力学的有关理 定结构上取样。测定材料的各种力学性能（其中包括 论制定了钢结构（如压力容器）评定规范【Ｉ’引，并根据 断裂韧度）来进行评定。在可以从损坏结构的非承载 新的研究成果对这些规范进行不断充实和修改。 部位截取试样的条件下，这种评定是比较可靠的。然 有许多工程结构在使用过程中承受着循环变化 而，若只能从结构的受损部位截取试样，这种评定方 的载荷。这种循环载荷所引起构件内应力集中部位的 法就有所欠缺，理论依据不够充分。因为结构的受损 循环应力和应变，是结构产生疲劳裂纹和使疲劳裂纹 部位已经历应变疲劳过程，甚至可能已经达到失效状 扩展的重要因素，也是结构发生断裂破坏的历史原因， 态。用这些部位所取试样进行安全评定完全可能是不 收稿日期：２００６—０９—２７ 基金项目：天津市自然科学基金资助项目（０４３６１２２１１）． 作者简介：方陆鹏（１９４７一），男，教授，研究方向为工程材料的疲劳与断裂强度 维普资讯 http://www.cqvip.com 天 津 工程 师 范 学 院 学 报 ２００７年３月 合格的状况，而造成这种状况的主要原因究竟是原始 １．２应变疲劳的能量考虑 制造中的缺陷，还是使用过程中的非正常操作（如经 应变疲劳由于塑性变形而消耗能量，其中大部分 常性的超载运行），就无法从所测的断裂韧度值直接 变为热能和不可恢复的塑性应变能。如果每次循环的 反映出来。 能量ＡＷ用滞后环面积来度量，那么整个疲劳过程中 为了解决这个问题，应当充分考虑循环应变历程 所消耗的总能量则为全部滞后环面积的总和。在疲劳 对钢材断裂韧度的影响。有试验数据显示，这种影响 过程中，每一个循环的能量增量ＡＷ的值，只有初始 比较显著，应变疲劳损伤会使钢材的断裂韧度降低， 循环阶段和裂纹失稳扩展至断裂这些少量循环中有 这与文献［５】中研究得到的疲劳损伤使钢材动态断裂 明显变化，在稳定循环中基本不变。因此，总的塑性应 韧度降低的结论是一致的，但该文献未能提出二者之 变能 可近似地用下述方程来描述： 间定量的规律性关系。文献『６】提出了用材料的静态韧 ＝△ Ⅳ， （３） 性的损失和循环塑性应变能的耗散来考查应变疲劳 也称做疲劳韧度。它有一个明显的性质，就是对于 损伤，只是从能量损耗的角度进行的定量分析，但该 某一种材料来说，随失效循环次数的增加而增加【７】。 文献中没有应用到断裂力学的理论，没有利用包含裂 １．３循环加载的变形功与 积分的关系 纹因素在内的延性断裂韧度 ｃ这个重要参数，而且 Ｒｉｃｅ提出，循环加载过程中的变形功与Ｉ，积分存 循环塑性应变能的耗散量也无法通过经历过应变循 在着函数关系，即： 环后的试样测出。 ，’ １ 本文在这方面做初步的探讨，通过大量的试验和 Ｊ＝Ｊ，＋兰ｒｂ Ｆｄ 一 Ｆ ｂ （４） 理论分析，归纳、探求钢材在经受一定程度的应变循 式中，ｂ为试样韧带尺寸；Ｆ为施加载荷； 为施力点 环后（其中包括全应变幅值和循环周次等），其延性 位移的塑性部分； 为Ｉ，积分的弹性部分。 断裂韧度 ｃ值的变化量，考察 ｃ与应变疲劳损伤之 上式中右边的后两项为循环加载过程中滞后回 间的相关性，旨在利用 ｃ反推钢材的应变循环历程， 线的面积。 为对失效的钢结构进行事故原因分析，提供进一步的 从以上分析可以看到，由于应变疲劳中材料的塑 理论依据和实验依据。 性变形消耗能量，因此，这必然会对材料的延性断裂 韧度产生影响。 １ ．，积分与应变疲劳的能量分析 ２试验部分 １．１ 积分的定义和能量解释 弹塑性断裂力学中的Ｉ，积分有两种定义：一为回 ２．１试验材料与试样 路积分定义，另一为形变功率定义。前者由围绕裂纹 测试用的钢材为２０Ｇ钢和１６Ｍｎ钢。２０Ｇ钢是制造 尖端的周围地区的应力、应变和位移场组成的线积分 压力容器（如锅炉、蒸煮球等）的钢材，１６Ｍｎ钢为低 给出，即： 合金钢，常应用在桥梁、船舶、车辆和压力容器的制 Ｊ：ｆ［Ｗｄ 一 ＿ｄｕｇ ｄ 】 （１） 造中。这两种钢材的塑性性能好，采用小试样一般不 能直接测取其平面断裂韧度 ｃ的值，需要测取其延 式中，Ｗ＝ ～ｃｒｉ，ｄ 为应力形变功密度。 性断裂韧度 ｃ的值。 后者由外加载荷通过施力点位移对试样所做形 为了考察应变循环加载对延性断裂韧度 ｃ的影 变功相对裂纹长度的变化率定义，即： 响，依据国家标准《金属材料延性断裂韧度 ｃ试验方 法》（ＧＢ ２０３８—９１）采用三点弯曲［ＳＥ（Ｂ）】试样。 ‘，：一—ＯＨ／Ｂ） —Ｏａ （２） 试样设计为两种形状：不做循环加载的试样，其形状 和尺寸如图ｌ所示。做循环加载的试样，其中部试验段 式中，詈兰 Ｕ一． “ ｄ 兰ＩＩｓＷｄＸｌ ｄｘ２－． ｄ 与ＳＥ（Ｂ）试样相同，其两端由过渡圆弧与可夹持段 为试样单位厚度的位能。 连接，制成矩形截面的可拉、．压的试样。其形状和尺 式（２）定义的Ｉ，积分在全量理论或小应变的极 寸如图２所示。 限情况下与式（１）定义等效，在屈服程度不太深的弹 材料的常规力学性能测试均采用标称直径为ｌ０ 塑性情况下二者近似相等 。 ｍｎｑ的圆形截面、短比例试样。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ７卷 第１期 方陆鹏等：应变疲劳对钢材延性断裂韧度 的影响 ・２３・ 图１三点弯曲【ｓＥ（Ｂ）】试样 图２做循环加载的试样 ２．２试验方法与设备 材料的常规力学性能如材料的屈服点应力 或 规定残余伸长应力 ＿２、抗拉强度 、伸长率 ５、断面 收缩率 以及真断裂强度应力 等指标的测试均在 ＷＥ一３０型液压万能材料试验机上进行，由微机记录 并实时绘制载荷一变形（Ｆ一△ｆ）曲线。 为了准确地测定钢材的延性断裂韧度 的数值， 对未经循环加载的试样和经过循环加载的试样均采 用多试样法绘出 曲线，经过有效性判断确定 ｃ的数 值。试样上疲劳裂纹的预制和裂纹扩展量Ａａ的二次疲 劳留痕在改进后的ＡＭＳＬＥＲ一２Ｔ型高频疲劳试验机 上进行。 每件试样的载荷一加力点位移（ 一△）曲线在 ＷＥ一３０型液压万能材料试验机上由微机记录绘制。 使用分辨率为０．００１ ＩＴＩＩＩＩ的工具显微镜测量试样断面 上的裂纹扩展量△以。 对试样的应变循环加载是在长春试验机研究所 生产的ＰＬＳ一２００型电液伺服试验机上进行的。循环 加载采用全应变控制，应变控制量为±０．３％，循环５００ 周次，并记录载荷幅值有明显变化时所对应周次的滞 后回线。 将经过应变循环加载后的试样两端夹持段锯下 后，即与图１的三点弯曲［ＳＥ（Ｂ）］试样尺寸相同。再 预制出疲劳裂纹，用多试样法测绘出 曲线。 为了考察应变循环加载与单调拉伸加载之间的 区别，还采用图２的试样，单调拉伸至全应变达到 ０．３％后卸载，用同样的方法测绘出 曲线。 ３测试结果与分析 ３．１ 材料的拉伸力学性能 表ｌ给出的常规拉伸测试结果是分别用三件试 样测试的平均值。 表１两种钢材原材料的常规拉伸测试结果 ３．２延性断裂韧度 ｃ的测试结果 图３和图４为两种钢材未做应变循环加载时的Ｉ， 一 日曲线。图中曲线与０．２ ｍｌＩｌ偏置线的交点即为材 料的延性断裂韧度 ｃ。从图中得到，２０ Ｇ钢： ＝１００ ｌ（Ｊ／ｍ ；１６ Ｍｎ钢：Ｊ，ｃ＝３４４ ｋＪ／ｍ 。 图３ ２ＯＧ钢的Ｉ，一△ 曲线 圈４ １６Ｍｎ钢的 一△∥曲线 图５和图６为两种钢材经单调拉伸全应变０．３％ 后的Ｉ，一△ 曲线。从图中得到，２０ Ｇ钢：Ｊｉｃ＝８９ ｋＪ／ ｍ ；１６Ｍｎ钢：Ｊｉｃ＝３０６ｋＪ／ｍ 。 图７和图８为两种钢材经－！＿０．－３％全应变控制循环 加载５００周次后的Ｉ，一△以曲线。从图中得到，２０ Ｇ 钢：Ｊｉｃ＝６５ ｋＪ／ｍ ；１６ Ｍｎ钢：Ｊｉｃ＝３９６ ｋＪ／ｍ 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 天 津 工程 师 范 学 院 学 报 ２００７年３月 ３００ ２５０ 一 ２００ １５０ １００ ５０ ０ 图５ ２Ｏ Ｇ钢单拉０．３％后的Ｊ一△ｎ曲线 图６ １６ Ｍｎ钢单拉０．３％后的Ｊ一△ｎ曲线 图７ ２ＯＧ钢循环加载５００周后的．，一△ｎ曲线 图８ １６ Ｍｎ钢循环加载５００周后的Ｊ一△ｎ曲线 表２给出了两种钢材分别经过单调拉伸０．３％应 变和控制±ｏ．３应变循环加载５００周次后所测延性断裂 韧度 ｃ数值的变化情况。从表２中的数据可以看到， 应变循环加载对钢材的延性断裂韧度 ｃ的影响是明 显的。两种钢材单调拉伸０．３％的应变后，材料出现了 少量的塑性变形，此时钢材并没有发生明显的硬化， 它们的延性断裂韧度 ｃ均比原材料降低了ｌｌ％。然 而，控制应变±ｏ．３％的循环加载５００周次后，却使它们 的延性断裂韧度 ｃ发生了情况相反的变化：２０ Ｇ钢 的延性断裂韧度 ｃ降低了３５％，这比较符合式（４） 的关系；１６ Ｍｎ钢的延性断裂韧度 ｃ却提高了１５％， 这与式（４）的函数关系明显不符。 表２两种钢材不同状态下的延性断裂韧度 ４结论与讨论 应变循环加载对钢材的延性断裂韧度 ｃ会产生 明显的影响。控制应变为±ｏ＿３％的循环加载经历５００ 周次后，可使钢材的 ｃ的数值产生１５％以上的改变 量。这种改变，总的趋势是降低的，但在循环周次较少 的情况下，也会出现提高的现象。 若能确定应变疲劳与延性断裂韧度 ｃ之间的函 数关系，通过测定钢材原材料的延性断裂韧度 ｃ和 承受过一定周次应变循环疲劳的同种钢材的 ｃ的数 值，分析、估算该种钢材所经历的应变疲劳历程具有 实际应用的价值。 参考文献： ［１］ ＢＳＩ－ＰＤ６４９３．Ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ Ａｃｃｅｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｌａｗｓ ｉｎ Ｗｅｌｄｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ： Ｐｕｈ￣ｓｈｅｄ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ，１９９１． ［２］ＣＶＤＡ（１９８４）．压力容器缺陷评定规范【Ｊ］．压力容 器，１９８５，２（１）：２—１６． ［３］徐灏．疲劳强度设计【Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９８１． ［４］陈麓，蔡其巩，王仁智．工程断裂力学【Ｍ］．北京：国 防工业出版社，１９７７． ［５］ＴＡＬＵＫＤＡＲ Ｐ，ＳＥＮ Ｓ Ｋ，ＧＨＯＳＨ Ａ Ｋ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ｅｎ一８一ｇｒａｄｅ ｓｔｅｅｌ【Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００１，３２（１ ０）：２ ５４７—２ ５５２． ［６］ＤＵＹＩ Ｙ，ＺＨＥＮＬＩＮ Ｗ．Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｌｏｗ－ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｘｈａｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｙｃｌｉｃ ｐｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｕｒｉｎｇ ｆａｔｉｕｇｅ【Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｕｇｅ，２００１，２３（８）： ６７９—６８７．
