摘要
疲劳断裂是金属材料常见的失效或破坏形式之一，随着近代工业的不断发展，研究结构疲劳失效和损伤容限始终是人们高度关注的焦点。在金属结构的实际使用过程中，常常会遭受到交变载荷的影响，荷载幅值对于疲劳寿命有决定性影响，而不同荷载幅值的变换也会导致裂纹尖端的塑性区发生变化，进而改变裂纹尖端驱动力，其中，裂纹尖端塑性区内的残余应力是影响裂纹扩展速率的主要因素。因此研究过载情况下疲劳裂纹扩展行为对疲劳分析与寿命预测有重要的指导作用。 本论文第一部分为实验部分，即使用DCPD（直流电压降）方法进行疲劳裂纹长度的实时测量，通过有限元方法与实验确定了电压探针的最优位置，并拟合了标定曲线。对低碳钢Q460C、中碳钢1045、高碳钢1080和两种不同热处理方式的12NiCr6镍铬钢制成的标准CT试样进行了恒幅加载试验和五种不同过载比的单峰过载试验。结果表明，DCPD的实时疲劳裂纹测量稳定度强，精确度高，可以很好的反映过载后疲劳裂纹扩展速率的变化；过载后裂纹扩展行为可以分为四个阶段：过载前稳定扩展阶段、过载后下降阶段、迟滞阶段和恢复稳定阶段；对于相同尺寸裂纹，过载比越大，扩展速率下降的幅度就越大，裂纹的延迟疲劳寿命就越高。 本论文第二部分为理论分析部分，基于裂纹尖端塑性区内应力分布与权函数方法，提出了一个过载后疲劳裂纹扩展速率公式，并用此模型预测过载后材料的裂纹扩展速率与延迟疲劳寿命。模型可反映出过载后的裂纹扩展特性：过载后裂纹扩展速率先逐渐下降到最低点，然后缓慢上升恢复正常速率，这一特性可以解释过载迟滞现象；同时，对于相同材料与试样尺寸，过载比越大，裂纹速率迟滞的影响就越大，过载后速率最小值就越低；同时对于相同的过载参数，屈服强度越高的材料，过载影响的范围较小。屈服强度较低的材料过载的影响范围更大。 为了评估模型的合理性与适用性，在论文第三部分，将模型与试验结果就过载影响长度、裂纹扩展速率曲线和延迟疲劳寿命三方面进行比较。结果表明，本论文所提模型符合实验中过载后裂纹扩展行为，寿命预测均在实验值的2倍误差带内。另外通过与等效夹杂理论和权函数模型两种方法进行对比，验证了本论文提出模型的精度和适用范围。最后，针对模型在高屈服强度和低硬化指数材料的疲劳寿命预测时相对误差较大的情况，分别使用硬化指数和改进的裂尖应力分布函数来修正模型，提高对于高屈服强度和低硬化指数材料的预测精度。修正后的模型全部材料的预测寿命均在实验值1.5倍误差带以内且预测结果偏安全，修正合理有效。并指出裂纹尖端塑性区的残余应力分布的精确测量与计算是推进疲劳分析的关键。
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