短裂纹扩展规律及分析方法整理
曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析.
第44卷第1期 2008年1月机械工程学报CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol. 44 No.1 Jan. 2008曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析周迅俞小莉(浙江大学机械与能源工程学院杭州 310027摘要：应用扫频法对柴油机曲轴疲劳裂纹的扩展规律进行实测。
该方法以谐振式疲劳试验机为平台，根据试验过程中曲轴裂纹扩展之后谐振系统共振频率下降这一现象，通过系统的扫频试验来动态跟踪裂纹扩展的参照信息。
在试样发生断裂之后，再根据断口形貌对裂纹的形态和尺寸进行实测，辅助以谐振系统的有限元模态分析来对裂纹尺寸的确切值进行反推，实现裂纹尺寸的动态测量。
试验结果综合反映了零部件的各种结构几何参数、加工精度、强化处理工艺等因素对裂纹扩展行为的影响。
通过对4个试样进行测试，发现曲轴的裂纹扩展速率在Paris 区呈现三分段规律。
根据试件断口形貌的特征，对这种规律性的机理进行推论，认为这种规律是由于在曲轴圆角表层残余应力的影响下，其裂纹前沿的应力比在裂纹扩展过程中发生突变造成的。
关键词：内燃机曲轴扫频法裂纹扩展速率残余应力中图分类号：TK427Fatigue Crack Growth Regular Tests for Engine Crankshaft and Analysis on the MechanismZHOU Xun YU Xiaoli(College of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027Abstract ：The crack propagation characteristics of a kind of diesel crankshaft are studied by measuring the crack growth rate using the frequency sweep method. This method is based on resonant fatigue test rig. According to the regularity that the resonance frequency will drop as the crankshaft’s crack growth, the method tracks the crack size’s growth rate dynamically by scanning the spectra of the resonant system. After the crankshaft is broken and actual shape and size of the crack are available, finite element modal analyses are conducted to accurately calculate the crack size at various test-cycle time point. The frequency sweep method is a more capable method than normal methods. It can be directly applied to a component even with complex structure and has been treated by all kinds of technology processing. As a corresponding result, the crack growth rate curve plotted herein would synthetically reflect many influence factors on the crack propagation behavior, such as geometric parameters, precision of machine tooling and reinforcing treatments, etc. 4 crankshaft specimens are tested and the result shows that a 3-section feature exists in the Paris region of the curve. According to the specimens’ fracture surface profile, it is concluded that the feature’s formation is chiefly due to the stress ratio’s sudden chan ge during crack propagating, which is caused by surface residual stress of the .Key words：Engine crankshaft Frequency sweep method Crack growth rate Residual stress0 前言为了能以定量方式确切地刻画机械构件的疲劳失效行为，近几十年来，人们在疲劳研究中开始使用断裂力学方法。
第08讲：剩余强度、等幅载荷下裂纹扩展规律
15
裂纹扩展机理和扩展过程
阶段 裂纹扩展 裂纹方向 断口
Ⅰ阶段 微观 45° ° 无明显特征
Ⅱ阶段 宏观 垂直 疲劳条纹
Ⅲ阶段 快速扩展 基本垂直 韧窝， 韧窝，晶间断裂
16
本讲内容
1 2 3 4 5
结构最小剩余强度要求 断裂判据 裂纹扩展机理和裂纹扩展过程
恒幅载荷下裂纹扩展规律
影响裂纹扩展规律的主要因素
在 lg dN ~ lg ∆K I 双对数坐 标中， 标中，裂纹扩展过程可以分 为三个阶段。 为三个阶段。 其中B区研究最广泛、深入， 其中 区研究最广泛、深入， 区研究最广泛 也是最重要的裂纹扩展区域。 也是最重要的裂纹扩展区域。 可用Paris公式描述这个阶 可用 公式描述这个阶 段的扩展规律。 段的扩展规律。
24
应力比R（或平均应力 的影响 应力比 （或平均应力σm)的影响
一定时， △K一定时，增大应力比意 一定时 味着K 增大， 味着 max增大，同时也意味 着作用的平均应力增大因此 da/dN将增大。 将增大。 将增大 左图为7075-T6铝合金材料 铝合金材料 左图为 曲线。 的△K~ da/dN曲线。 曲线
破坏判据
σ j ≥ σ ys
12
Feddersen法确定剩余强度 法确定剩余强度
对于有限宽薄板， 对于有限宽薄板，可以 采用下列方法确定剩余 强度
2 2 σ ys 或 2a ≥ W 时，σ 静 ≥ σ ys 3 3 Kc 2 σ a < σ ys 且 2a < 2 W 时，σ c ≥ 当 3 πa 3
4
最小剩余强度要求的确定
剩余强度的最低要求由内 部元件载荷P 确定， 部元件载荷 syu确定， Psyu表示飞机在规定检查 间隔内可能遇到的最大载 其值根据载荷谱确定， 荷，其值根据载荷谱确定， 飞机载荷谱制定是以代表 飞机平均使用情况的基本 载荷系数的超越数为基础， 载荷系数的超越数为基础， 采用放大检查周期的做法 考虑个体飞机的差异。 考虑个体飞机的差异。
探讨材料中裂纹的分析方法
探讨材料中裂纹的分析方法本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！广义的裂纹是指破坏材料连续性的缺陷，这种缺陷具有一定的深度、宽度和长度、成直线或曲线分布于材料内部或表面，严重影响材料的各种性能，如力学性能、导热性和导电性能等。
裂纹的尺寸、数量和形貌等特征对材料物理性能和力学行为的影响一直备受关注，人们希望通过研究裂纹的产生原因、扩展方式和扩展速度与材料性能的关系，来预测工件使用寿命。
但现有研究中尚缺少系统的裂纹分析方法。
本文较系统地介绍了材料中裂纹的分析方法。
1 实验方法分别选取带有裂纹的Cr2O3涂层和高温工具钢X38CrMoV5(AISI H11)样品，先肉眼观察裂纹外观特征，再按裂纹走向截取样品，其中横向和纵向分别截取。
磨抛后利用金相显微镜和扫描电子显微镜分别观察裂纹的形貌和分布，以及裂纹周围的微观组织结构。
再利用图像分析软件ISI 分析照片中裂纹的长度、角度、面积、节点数。
运用统计学方法分析裂纹特征参数，建立裂纹形态特征与材料性能的关系。
2 实验结果与分析裂纹定性分析裂纹的定性分析通常包括宏观检查、裂纹源分析、材质检验和裂纹微观分析。
宏观检查是裂纹分析的基础，用于判断材料中是否存在裂纹，除通过肉眼直接外观检查和敲击测音外，还可用无损探伤法检测裂纹。
当裂纹极为细小时，可借助光学显微镜和电子显微镜来判断微裂纹的存在。
裂纹源常分布在由于工件形状或材料缺陷引起的应力集中部位。
材质检验包括化学成分、显微组织、力学性能，及其他性能测试。
微观分析用于了解裂纹的性质、扩展机制、形成原因和影响因素，主要包括形态特征分析和分布特征分析。
裂纹的形态特征包含裂纹形状和张开度。
其中张开度指裂纹开口宽度与裂纹深度之比。
裂纹的分布特征分为分散分布、方向性分布，放射状分布和网络状分布。
微观裂纹分析应该确定裂纹分布是穿晶的，还是沿晶的，主裂纹附近有无微裂纹和分枝，以及晶粒状态、大小等特征;分析裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物，它们的形态，大小、数量及分布情况;裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象; 产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层; 裂纹源及扩展路20μm 20μm(a) 网络状裂纹(b) 相邻“原胞”图3 Cr2O3涂层热处理后表面裂纹形貌径周围是否有过烧组织、魏氏组织、带状组织，以及其它形式的组织缺陷。
短裂纹扩展规律及分析方法整理
一、材料疲劳裂纹扩展研究现状许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。
工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。
主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。
当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。
金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
最新09--裂纹扩展与疲劳裂纹扩展
KP f (a)
f(a)C C(a(a))PC daMf(a)Pda
裂纹扩展稳定性分析
• 即得：
• 通常 Ca ，0 因此：
K aT
f(a) C(a)Pf(a)P C(a)CM
K a
K a
关于裂纹扩展的分析
•
考虑一个尺寸为a 0 的裂纹，随着外加载
荷P(或位移u)的逐渐增加，应力强度因
K
子K 逐渐增大，当K 达到K C 时(B点)，裂纹 开始启裂。
• 在对应的加载条件L下，随着裂纹尺寸
的变化，K
a 随之变化，如果
K a
L
则Ka该R
裂纹在扩展一个微小的尺寸后即停止扩
Kc
C B
a
o
b
➢对于这样的材料，裂纹 K 一 旦达到K I C 就很容易发生失稳
扩展，除非K a 随着裂纹的长
大，逐渐减小。对于很脆的材 料（如玻璃）以及在平面应变 条件下的高强低韧金属，作为 一次近似，通常可以采用上图 所示的这种关系。
K
➢对于大多数材料，在裂纹尖端都存在 着多种不同的细观损伤机制，如细观尺
裂纹扩展，必须满足：
• 即一个裂K纹扩K展R，a其应力强
dK R da
Байду номын сангаас
K a
L
dK R da
dK R da
稳定性扩展 随遇扩展 失稳扩展
度因子必须达到当前状态下 的临界应力强度因子。
具体的加载条件，可以是载荷控 制的加载，也可以是位移控制的
加载，或是介于上述两者之间的
某一加载条件。
• 在位移控制加载条件下，K a 曲线的斜率总是负值， 因此，按照裂纹扩展的稳定性条件，裂纹的扩展 总是稳定的。
第09讲：裂纹扩展分析和裂纹扩展寿命计算
变
。
27
何时裂纹停止扩展？ 何时裂纹停止扩展？ 最大有效应力为零时停止扩展。
(σ max )eff = σ max − σ red
而 σ red = σ ap − σ max
=0
所以 σ ap = 2σ max 即超载比ROL=2时裂纹停止扩展。 但这与实际情况不符；R=0时，铝合金临界超载比 为2.3；钛合金的临界超载比为2.8。
疲劳裂纹扩展寿命是指裂纹在交变载荷的作用 下，由某一长度扩展到另外一长度的加载次数。 初始裂纹尺寸、检修周期、检测手段的确定等 都需要进行裂纹扩展寿命的计算。 裂纹扩展寿命计算的基本依据就是材料的裂纹 扩展速率da/dN。
N = ∫ dN = ∫
ac dN 1 da = ∫ da a0 da dN da
da = Cpi r dN 0
ap − ai Ry
m
减缓系数： Cp能反映超载后裂纹扩展 速率变化的真实情况。系数m需要实验测定，且依 赖于谱型，使用时不甚方便。
24
Willenberg模型 模型
25
Willenberg模型 Willenberg模型
9
注意事项
上述公式中材料常数C、n不能完全互换 不能完全互换； 不能完全互换 材料常数必须与公式适用范围相匹配 匹配； 匹配 许多材料常数是有量纲的，注意量纲的换算 量纲的换算； 量纲的换算 应用时要考虑环境的影响；
10
本讲内容
1 2 3 4
恒幅载荷下裂纹扩展速率表达式
变幅载荷下裂纹扩展特性
变幅载荷下裂纹扩展计算模型 疲劳裂纹扩展寿命计算
Willenberg认为，裂 纹在超载区如果要消除 迟滞效应的影响，必须 使施加载荷产生的塑性 区恰好与超载塑性区边 界相切。 2
无机材料的断裂及裂纹扩展课件
裂纹的萌生和扩展
初始裂纹在外部载荷的作 用下逐渐扩大并萌生新的 裂纹，这些裂纹相互作用 并形成裂纹扩展的路径。
最终断裂
当裂纹扩展到一定程度时 ，材料发生最终断裂。
裂纹扩展的速率控制
应力强度因子
应力强度因子是控制裂纹扩展速 率的一个重要参数，它表征了裂
01
线弹性断裂力学是研究材料在弹性范围内发生的断裂行为，适
用于材料在断裂前没有发生塑性变形的情形。
应力和应变的关系
02
在材料发生断裂前，应力和应变的关系是线性的，遵循胡克定
律。
弹性模量和泊松比
03
描述材料在弹性范围内对变形响应的两个重要参数是弹性模量
和泊松比。
弹塑性断裂力学
01
弹塑性断裂力学的定义和适用范围
，越不容易发生断裂。
应力集中
应力集中是指在材料中存在的 一些缺陷或不平整区域，这些 区域容易产生应力集中，降低 材料的强度。
温度和湿度
温度和湿度也会影响材料的强 度和韧性，进而影响材料的断 裂性能。
加载速度
加载速度越快，材料的断裂时 间越短，越容易发生脆性断裂
。
02
无机材料的裂纹扩展
裂纹扩展的机制
无机材料的断裂及裂纹扩展课件
目录
• 无机材料断裂概述 • 无机材料的裂纹扩展 • 无机材料的断裂力学 • 无机材料的断裂及裂纹扩展实验研究 • 无机材料的断裂及裂纹扩展研究进展 • 无机材料的断裂及裂纹扩展在工程中的应
用
01
无机材料断裂概述
断裂定义与分类
断裂定义
断裂是指材料在应力或温度等外 部因素作用下，内部应力超过材 料强度，导致材料结构破坏的现 象。
裂纹扩展知识点
《ABAQUS6.9版本XFEM(扩展有限元)例子的详细图解step by step》帖子的问题汇总已做出解答部分1Damage Stabilization则不收敛。
Damage Stabilization以就不需要Damage Stabilizationhomogeous2、Material模块中的操作的“3.赋予材料取向”时看不到“在part Plate中创建的4all bottom top和fixZall bottom, top和fixZ,个人感觉后三个集合只是面或集合过滤3、集合bdisp是只包含db dbbdisp这个集合只包含dbbdsipP24、关于参考点的问题bottom在x1bdisp的运动一致。
因为在x方向上的载荷是施加在点bdisp点上。
束直接将底部的x③个人认为加这个参考点的作用是为了以后输出加载点的位移和反力用的。
就是那个历史输出请求2.参考点跟底面是一起运动的。
之所以定义这么一个参考点是为了后面场输出变量用的④那个参load的边界条件里面不移。
之所以定义这么一个参考点是为了后面场输出变量用的。
1方向上的载荷直接加载bottomCAE手册。
5、以上我们主要讨论的是Benchmark手册中的例题1.19.1。
咱们能否再讨论一下例题1.19.21.192-4,这样比较好理解。
裂纹长了1.19.2-3上可以看出6、xfemXFEM册中的例题2initiation and propagation of a crack along an arbitrary, mesh-independent, solution-dependent path7、我也一直在用XFEM知wylxl2001Cohesive Element的时候好像遇到过。
XFEM89xfemDrucker prager abaqus扩展有限元的关键是不是就是设置xfem以及interaction是maxps Damage, Traction separation laws 材料模型而改用像混凝土损伤塑性模型Drucker prager模型等是不是就无法实现其扩xfem10、这个abaqus扩展有限元的关键是不是就是设置xfem以及interaction以及求解控制的相关设XFEM的是maxps2个损伤Initiation个是分开位移Maxpe11initialSet CRITERION=DUCTILE to specify a damage initiation criterion based on the ductile failure strain.Set CRITERION=FLD to specify a damage initiation criterion based on a forming limit diagram.Set CRITERION=FLSD to specify a damage initiation criterion based on a forming limit stress diagram.Set CRITERION=HASHIN to specify damage initiation criteria based on the Hashin analysis.Set CRITERION=HYSTERESIS ENERGY to specify damage initiation criteria based on the inelastic hysteresis energy dissipated per stabilized cycle in a low-cyclefatigue analysis.Set CRITERION=JOHNSON COOK to specify a damage initiation criterion based on the Johnson-Cook failure strain.Set CRITERION=MAXE to specify a damage initiation criterion based on the maximumnominal strain for cohesive elements.Set CRITERION=MAXS to specify a damage initiation criterion based on the maximumnominal stress criterion for cohesive elements.Set CRITERION=MAXPE to specify a damage initiation criterion based on the maximum principal strain for enriched elements.Set CRITERION=MAXPS to specify a damage initiation criterion based on the maximum principal stress criterion for enriched elements.Set CRITERION=MK to specify a damage initiation criterion based on a Marciniak-Kuczynski analysis.Set CRITERION=MSFLD to specify a damage initiation criterion based on theMüschenborn and Sonne forming limit diagram.Set CRITERION=QUADE to specify a damage initiation based on the quadratic separation-interaction criterion for cohesive elements.Set CRITERION=QUADS to specify a damage initiation based on the quadratic traction-interaction criterion for cohesive elements.Set CRITERION=SHEAR to specify a damage initiation criterion based on the shear failure strain.xfem的initial损伤定义吧?xfem11、看了这个帖c3d4C3D8crackcrack后abaqus还有其他方法模拟我上述的想Cohesive element或者surface-based cohesive12XFEM不考虑奇异性。
LY12CZ铝合金短裂纹行为的微观扩展机制研究
图3 短裂纹源于第二相质点 400× F ig 1 3 Sho rt crack in itiates from the second phase particle
图6 裂纹在第二相质点附近扩展 5000× F ig 1 6 F ractu re appearance near the second phase
图4 靠近源区的短裂纹扩展形貌 1500× F ig 1 4 Sho rt crack fractu re appearance near the in itiation reg ion
3 结果分析及讨论
311 包铝层对裂纹形核的影响 包铝是航空工业中常用的提高铝合金板材耐腐蚀 性的方法, 但由于包铝的强度大大低于心部材料, 使得 包铝试样的裂纹很容易从包铝层起始和扩展, 一旦穿透 包铝层与心部材料相接触时, 对心部材料来说相当于一 个尖锐的缺口, 由此引起的应力集中促使了心部材料的 早期开裂, 从而明显地缩短裂纹的萌生寿命, 并导致构
4 R 1 W 1 H ertyberg , W 1 J 1 H ills1 Character of fatigue fractu re su rface m icrom o rpho logy in the u ltra 2low grow th rate regim e 1A STM SPT 6 0 0 , 1 9 7 6 , 2 0 0～ 2 0 8
L Y 1 2CZ 铝 合 金 短 裂 纹 行 为 的 微 观 扩 展 机 制 研 究
L Y12CZ 铝合金短裂纹行为的微观扩展机制研究
S tudy on M icro 2M echan ism of Sho rt C rack P rop aga t ion of L Y12
材料裂纹的产生及扩展的原因分析
材料疲劳裂纹的产生及影响裂纹扩展的因素摘要：文中通过对疲劳裂纹的研究，全面分析了疲劳裂纹的产生，交变应力，表面状态，载荷形式，化学成分，夹杂物等对疲劳产生的影响；分析了影响疲劳裂纹扩展的因素，载荷，腐蚀环境，热疲劳，温度对疲劳裂纹扩展的影响机理，论述了其影响效果，对进一步研究分析裂纹的产生，防止裂纹进一步扩展，提高材料的寿命有一定的帮助。
关键词：疲劳裂纹 ; 疲劳裂纹扩展Abstract: In this paper, through the study of fatigue crack, and making a comprehensive analysis of the fatigue crack produces, alternating stress, the surface, and the load form, chemical composition, inclusion has effect on the fatigue; Analyzing the effect of fatigue crack growth’s factors. and the load, corrosive environment, thermal fatigue, temperature have influence on the fatigue crack propagation, It is a great help to study further the fatigue, prevent crack further expanding, and improve the life of the materials .Keyword：fatigue crack ; fatigue crack growth1 引言机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。
Abaqus裂纹扩展分析
定义初始粘合裂纹面可能裂纹表面建模时采用采用主、从接触面来定义。
在接触形式中，除了有限滑动、面对面形式以外，其他所有接触形式均可使用。
预先定义的裂纹面在初始时应部分粘合，裂纹尖端因而可以被Abaqus/Standard显式识别。
初始粘合裂纹面不能采用自接触形式。
定义初始状态（initial condition）以识别裂纹初始绑定部分。
用户可以定义从接触面（slave surface）、主接触面（master surface）、以及用来识别从接触面初始部分粘结的节点。
从接触面上没有粘结的部分表现为正常接触面。
主接触面及从接触面均需要指明。
如果没有节点如上所述被定义，初始接触状态将被应用于整个接触对。
这种情况下，不能识别出裂纹尖端，因而粘结面不能分开。
如果节点如上所述被定义，初始解除状态将被应用于从接触面上已定义的节点处。
Abaqus/Standard将进行核对以确保所定义节点只包含从接触面上的节点。
*INITIAL CONDITIONS, TYPE=CONTACT激活裂纹扩展能力（crack propagation capacibility）裂纹扩展能力需要在STEP定义中被激活，以确保初始部分粘合的2个面有可能产生裂纹扩展。
用户需要指明会产生裂纹扩展的面。
*DEBOND, SLA VE=slave_surface_name，MASTER=master_surface_name多裂纹扩展裂纹可以在一个或多个裂纹尖端处产生扩展。
一个接触对可以在多个裂纹尖端处产生裂纹扩展。
然而，对于给定的接触对只能拥有一个裂纹扩展准则（crack propagation criterion）。
定义开裂振幅曲线（debonding amplitude curve）开裂产生后，通过从接触面节点及主接触面相应节点上大小相等方向相反的力产生面间牵引。
当采用临界应力准则、临界裂纹开口位移准则、裂纹长度-时间破坏准则时，用户可以定义粘结面上某点产生开始时，上述力以何种方式降至零。
失效分析裂纹分析技术
•裂纹的宏观形貌
常见的裂纹宏观形貌有
龟裂纹 线裂纹 环形裂纹 周向裂纹 辐射状裂纹 弧形裂纹
① 龟裂纹外观形貌类似于龟壳网络状分布的一类 裂纹。龟裂纹一般是一种表面沿晶裂纹，深度不大。 由于零件表面(或晶界)的成分、组织、性能 及应力状态与中心(或晶内)不一致，在制造过程或 使用过程中使晶界成为薄弱环节，并产生很大的组 织应力和热应力等内应力，从而使晶界开裂，形成 龟裂纹。龟裂纹按其形成条件，可分为铸造表面龟 裂纹、锻造表面龟裂纹、热处理表面龟裂纹、焊接 龟裂纹、磨削龟裂纹和使用龟裂纹。
金属的表面缺陷，如夹砂、斑疤、划痕、 折迭、氧化、脱碳和粗晶环等 金属的内部缺陷，如缩孔、气泡、疏橙、 偏析、夹杂物、白点、过热、过烧和发纹 等 不仅本身直接破坏金属的连续性，降低材 料的强度和韧性，而且往往在这些缺陷周 围造成很大的应力集中，使得材料在很低 的平均应力下产生裂纹。
②零件形状因素原因引起的裂纹
(3)裂纹分叉法 机械零件在断裂的过程中，出现一条裂纹后，往 往会引伸出多条分支裂纹或分叉裂纹，如图9所示。 裂纹的扩展方向为从主裂纹向分叉或分支裂纹方 向，分叉或分支裂纹汇集的裂纹为主裂纹。 A为主裂纹；BCD为二次裂纹。
(4)断面氧化颜色法 金属零件如暴露在环境介质或高温下会被腐蚀和氧 化，而且腐蚀和氧化的程度会随时间的增加而加重。 主裂纹较次裂纹形成时间早，主断面较次断面暴露 在环境中的时间长，腐蚀与氧化程度严重，腐蚀产 物多、氧化颜色深。 (5)疲劳裂纹长度法 当同一零件上出现多条疲劳裂纹时，一般可根据疲 劳扩展区的长度、疲劳弧线和疲劳条带间距的大小 来判断主裂纹。疲劳裂纹长、疲劳弧线或疲劳条带 间距小的为主裂纹。
一般情况下，疲劳裂纹的末端是尖锐的； 拉痕、发裂纹的末端圆秃； 磨削裂纹一般细又浅，呈龟裂状或规则直 线排列。 由于过热、过烧引起的锻造或热处理裂纹， 往往晶粒粗大，并常在晶界处伴有析出物。
失效分析 第4讲-裂纹分析
确定的 方法
变形法；当机战零件在断裂过程中产生变形并断成几块时， 可测定各碎块不同方向上的变形量大小，变形量大的部位为 主裂纹，其余为二次裂纹 。 氧化法：氧化颜色愈深、氧化愈严重的裂纹为主裂纹。浅者 为二次裂纹。 疲劳裂纹特性法：疲劳裂纹长、疲劳弧线或条带间距密者为 主裂纹，反之为次生裂纹或二次裂纹。
铸造、锻造、焊 接与热处理中产 生的裂纹鉴别
铸造热裂纹一般生成于铸件冷却阶段，一般具有龟裂外形裂纹沿原 晶界延伸，裂纹内一般有氧化脱碳，裂纹尾部圆秃； 锻造裂纹若为表面裂纹，通常呈直线型、网状或混合型，有时也有 分叉“Y”型； 焊接裂纹是焊接缺陷和焊接应力共同作用的结果，焊接裂纹多形成 于焊缝及热影响区内； 热处理裂纹主要是由于冷却过程中形成的热应力和其他缺陷耦合产 生的，其形态与其耦合形式有关。 使用过程中 产生的裂纹 的鉴别 根据不同服役条件下裂纹的特征来区分判断； 特别要强调的是要区分工艺裂纹和使用裂纹。
第 4讲
裂纹分析技术
4.1 裂纹分析思路
4.2 裂纹分析技术
4.3 各种典型裂纹的分析鉴别
-1-
XI’AN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
引言
受到材料工艺因素的影响，材 料内部不可避免的地存在各种 内部缺陷或裂纹。
由于零件的设计不合理、选才不 当、材料缺陷、制造工艺不当、 维护维修不合理、使用不当等因 素造成在使用过程中产生裂纹。 在应力和环境共同作用下，经历裂 纹的萌生、扩展直至断裂，每个阶 段与材料及外部环境诸因素相关。 同时断裂过程的每一个阶段又会在 裂纹、断口上留下相应的痕迹。 断口分析技术
设计引起
在材质符合要求的情况下，裂纹往往出现在工件结构 形状引起的应力集中处，如过渡台阶、加工刀痕等。
疲劳裂纹扩展的基本规律及其主要的影响因素
疲劳裂纹扩展的基本规律及其主要的影响因素疲劳是指在交变应力作用下发生在材料或结构某点局部、永久性的损伤递增过程。
疲劳在自然界和工程上比较普遍。
在金属结构的失效形式里，疲劳断裂是一种主要形式，约占失效结构的90%，而疲劳断裂是由于金属结构在循环载荷的作用下，由于各种原因(如应力集中等)，引起疲劳强度降低而产生裂纹，最终由裂纹的扩展而导致结构失效。
疲劳裂纹扩展的规律疲劳裂纹在扩展过程中一般可分为三个阶段：近门槛值阶段、高速扩展阶段(Paris区)和最终断裂阶段。
在近门槛扩展阶段，疲劳裂纹的扩展速率很小，疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子范围△K的降低而迅速下降，直至da/dN→0，与此对应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△K；在Paris区，疲劳裂纹扩展速率可以用Paris公式来定量地进行描述。
其中，C和m是试验确定的常数。
在高速扩展区，随着△K的提高，裂纹扩展速率升高，当疲劳循环的最大应力强度因子Kmax接近材料的Kic时，裂纹扩展速率急剧增加，最终导致构件断裂。
疲劳裂纹扩展一般由疲劳裂纹扩展速率da/dN表征，即在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环次数N的变化率，反映裂纹扩展的快慢。
疲劳裂纹扩展速率da/dN的控制参量是应力强度因子幅度△K，表示材料的疲劳性能。
研究疲劳裂纹的扩展规律一般通过两种途径：一是过实验室观察，根据实验结果直接总结出裂纹扩展规律的经验公式；二是结合微观实验研究提出裂纹扩展机理的假设模型，推导出裂纹扩展规律的理论公式。
疲劳裂纹扩展规律的研究，主要是寻求裂纹扩展速率da/dN与各有关参量之间的关系。
疲劳裂纹扩展影响因素1. 残余应力对疲劳裂纹扩展的影响(1) 残余应力模型认为，在加载过程中裂纹张开，裂纹尖端附近形成一个塑性区，载荷峰值越大，则塑性区尺寸就越大：卸载后，由于塑性区周围的弹性区材料要恢复原来的尺寸，为了保持变形协调，已产生了永久变形的塑性区内的材料就要受到周围弹性区的压缩而产生残余压应力。
短裂纹扩展规律及分析方法整理
一、材料疲劳裂纹扩展研究现状许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。
工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。
主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。
当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。
金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
断裂力学裂纹扩展
断裂力学裂纹扩展做裂纹扩展仿真确实比较难，目前一般都是以弹性断裂力学为基础，二维裂纹扩展容易一些，三维裂纹比较复杂，如果仅是要获得扩展寿命，裂纹长度，可以自己编程做，我是这样做的。
如果要想获得不同裂纹前沿的应力应变场和K，模拟结构裂纹随载荷的动态真实变化，可能要借助软件：（1) Beasy，边界元软件，将三维问题解化为二维问题，比较方便。
（2) Fatigue软件，也还可以，但对复杂结构很难胜任。
（3) FE-fatigue 也不错（4) FRANC3D。
至于计算，常用的方法有：（1）Prescribed Method特点：裂纹只能沿单元边界扩展。
（2）Analytical Geometry Method特点：将几何和载荷、约束分解为简单的解析形式。
（3）Known Solution Method特点：查表求已知解。
两个重要软件：NASGRO and AFGROW（4）Meshfree method美国西北大学做的最好。
优点是不需重新划分网格。
（5）Adaptive BEM/FEM自适应网格边界元/有限元，用的较广。
（6）Lattice method格子方法（7）Atomic method一般使用分子动力学方法。
（8）Constitutive method在本构方程里引入破坏准则，无需预先引入裂纹。
如本人上篇帖子。
（9）Cohesive element使用cohesive element。
断裂学科研究的新趋向第十届国际断裂大会（ICF10）的情况介绍四年一届的国际断裂大会(Int. Conference of Frature, ICF-10)于2001年12月3日～12月6日在美国夏威夷召开。
与会的有来自44个国家的代表约610人。
中国参加会议的代表并有论文在论文集上发表的计34人（含中国香港10人），其中部分代表因故未能到会。
此次会议的举办是成功的，现将会议的简要情况与参加会议的体会及有关建议分别作简单汇报于下。
失效分析-裂纹分析技术
2.2 常用判断裂纹先后顺序的方法
(1) 塑性变形量大小确定法 当零件断裂成多块，有的部位没有明显塑 性变形，有的部位塑性变形明显，则无塑 性变形的区域为首先断裂区域；当所有断 裂部位均为延性断裂时，变形量大的部位 为主裂纹，其它部位为二次或三次裂纹。
(2) T型法 一个零件上同时出现两条或多条裂纹，裂纹间构 成T型关系时，可根据裂纹的相对位置关系来确定 主裂纹。图8中所示，横贯裂纹A形成在前为主裂 纹，而B裂纹形成在后为次裂纹。
裂纹微观分析技术
在微观上，裂纹源区一般均是材料的薄弱环 节，如零件的表面或次表面及应力集中处 和材料缺陷处(有时可见到明显的缺陷)。对 于一条主裂纹，由粗到细的形态就是裂纹 的扩展过程。当存在放射状微裂纹时，其 收敛点位置即为裂纹源。
裂纹的扩展途径有沿晶、穿晶和沿晶与穿晶混合
一般制造过程中产生的铸造热裂纹、过烧引起的 锻造裂纹、回火脆性裂纹、磨削裂纹、焊接裂纹、 使用中出现的冷热疲劳裂纹、蠕变裂纹、热脆裂 纹、环境因素引起的应力腐蚀裂纹和氢脆裂纹等 均是沿晶界扩展的； 而疲劳裂纹、解理裂纹、延性断裂裂纹等使用中 形成的裂纹和因冷却速度过大、零件几何尺寸突 变等引起的淬火裂纹和焊接裂纹等制造裂纹都是 穿晶裂纹。
各种裂纹的形成原因很多，其形貌也各异。 需要从裂纹的宏、微观形貌，源区位置， 扩展途径，周围情况、末端的特征及制造、 使用履历来综合分析确定裂纹的性质和形 成原因。
图11是一飞机航炮固定座支臂在维护检查中 发现的裂纹。该裂纹位于支臂外侧表面，与支臂 圆弧基本平行．长约65mm、宽约1mm，局部有 分支。宏观观察．可见裂缝内有漆层。
一般脆性断裂可用T型法或分叉法，延性断 裂可用变形法，环境断裂可根据断面氧化 与腐蚀程度及颜色深浅，疲劳断裂可利用 断口的宏观与微观特征形貌来区分主次断 裂。
断裂力学裂纹扩展
断裂力学裂纹扩展做裂纹扩展仿真确实比较难，目前一般都是以弹性断裂力学为基础，二维裂纹扩展容易一些，三维裂纹比较复杂，如果仅是要获得扩展寿命，裂纹长度，可以自己编程做，我是这样做的。
如果要想获得不同裂纹前沿的应力应变场和K，模拟结构裂纹随载荷的动态真实变化，可能要借助软件：（1) Beasy，边界元软件，将三维问题解化为二维问题，比较方便。
（2) Fatigue软件，也还可以，但对复杂结构很难胜任。
（3) FE-fatigue 也不错（4) FRANC3D。
至于计算，常用的方法有：（1）Prescribed Method特点：裂纹只能沿单元边界扩展。
（2）Analytical Geometry Method特点：将几何和载荷、约束分解为简单的解析形式。
（3）Known Solution Method特点：查表求已知解。
两个重要软件：NASGRO and AFGROW（4）Meshfree method美国西北大学做的最好。
优点是不需重新划分网格。
（5）Adaptive BEM/FEM自适应网格边界元/有限元，用的较广。
（6）Lattice method格子方法（7）Atomic method一般使用分子动力学方法。
（8）Constitutive method在本构方程里引入破坏准则，无需预先引入裂纹。
如本人上篇帖子。
（9）Cohesive element使用cohesive element。
断裂学科研究的新趋向第十届国际断裂大会（ICF10）的情况介绍四年一届的国际断裂大会(Int. Conference of Frature, ICF-10)于2001年12月3日～12月6日在美国夏威夷召开。
与会的有来自44个国家的代表约610人。
中国参加会议的代表并有论文在论文集上发表的计34人（含中国香港10人），其中部分代表因故未能到会。
此次会议的举办是成功的，现将会议的简要情况与参加会议的体会及有关建议分别作简单汇报于下。
[分析影响PE管材发生慢速裂纹增长的因素及防治对策3300字]影响裂纹扩展的因素
![[分析影响PE管材发生慢速裂纹增长的因素及防治对策3300字]影响裂纹扩展的因素](https://img.taocdn.com/s3/m/7f9bb116f08583d049649b6648d7c1c708a10be2.png)
[分析影响PE管材发生慢速裂纹增长的因素及防治对策3300字]影响裂纹扩展的因素分析影响PE管材发生慢速裂纹增长的因素及防治对策3300字(3)支链的影响支链对PE管的耐慢速裂纹增长体现在三方面：①共聚单体的种类；②支化密度；③支链分布。
具体阐述如下：①共聚单体的种类PE管从化学成分上讲是聚乙烯，因此从丙烯到辛烯会随着共聚单体碳链长度的增加，其耐慢速裂纹增长能力也将逐渐提高。
但是，所谓过犹不及，共聚单体的碳链长度不应超过8个碳以上，因为若超过这个标准，当系带分子从晶区拔脱时，支链便反转，无法起到阻碍作用了。
②支化密度支化密度越大，系带分子就会链接更多的短支，拔脱时的阻力就越大，这直接提高了PE管材的耐慢速裂纹增长能力。
当然，支化密度同样不能太大，因为它直接影响着片晶的厚度，若一度追求支化密度，势必顾此失彼，让片晶厚度降低，所以应保持在片晶厚度不受影响的情况下增加支化密度。
③支链分布PE管材发生慢速裂纹增长同样受到支链数量以及支链的空间分布影响。
经过研究发现，当支链呈双峰型分布时，所有短链都接枝在长链分子上，可以有效的抵抗PE管材的慢速裂纹增长。
(4)分子量及其分布的影响分子量越大，则与之对应的分子链也就越长，分子链越长，形成系带分子的可能性就越大，进而形成的系带分子也就越多，因此有效提高了PE管材的耐慢速裂纹增长。
与此同时，分子量越大，更长的分子链就能穿过更多的晶区，如此再次提高了分子结构的稳定性，有效地提高了PE管材发生慢速裂纹增长的抵抗能力。
当然，分子量的数量是有限的，并且分子链也不宜过长，如果分子链过长，则会对加工工艺带来诸多不利因素，比如过程的分子量会导致熔体流动指数降低。
2.外部因素PE管材发生慢速裂纹增长，除了内部因素这一主要因素外，外部的环境对其也有一定的影响。
比如PE管材加工工艺的是否科学、方法是否正确、质量是否达到设计标准等。
另外，在实际的使用中，方法是否得当也对PE管材发生慢速裂纹增长有着重要影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
短裂纹行为研究方法--BP 神经网络（2）
原理如图4 所示。疲劳裂纹密度、裂纹扩展速率及裂纹角 度等参数是描述材料疲劳损伤程度，预测疲劳寿命的重要 参数。基于BP 神经网络的统计方法是需要大量实验数据 支持的。在此不作详细介绍。
结语
短裂纹萌生主要源于材料的微观结构( 非均匀性、 位错及滑移带) 。 而短裂纹的扩展机制明显区别于长裂纹，文中列 举的各种裂纹萌生及扩展模型均考虑载荷、宏观材 料参数及细观组织的影响，解释了裂纹萌生期与诸 如屈服应力、晶粒尺寸、滑移带等的关系，从不同 角度描述裂纹萌生、扩展的行为，定量描述疲劳裂 纹的萌生寿命、萌生尺寸及扩展寿命，为了解疲劳 短裂纹的行为提供实践基础。 但是，这些方法和模型预测短裂纹行为是否具有 一致性，以及是否准确，还需大量的工作来验证。
短裂纹行为研究方法--蒙特卡罗模拟(Monte Carlo) （4）
Hale Waihona Puke 短裂纹行为研究方法--分形方法(fractal)（1）
分形方法起源于1977 年Mandelbrot B B 等提出的 分形理论，后来又将分形理论与金属材料冲击断 面结合起来，研究其分形特征。由于分形方法普 遍适用于不规则而具有自相似性的非线性系统。 疲劳短裂纹的群体行为具有分形特征，其损伤演 化过程可以用分形维数表征。 关于分形维数有很多的定义及相关的计算方法， 在此侧重介绍计盒维数( box-counting 或box dimension) 。
短裂纹行为研究方法--蒙特卡罗模拟(Monte Carlo) （2）
下图1所示为低碳钢材料金相晶粒图及采用Voronoi 算法生成的 Voronoi 网格模拟图。
基于生成的晶界结 构图，应用随机分 布表面沿晶 短裂纹的群体演化 行为模型进行模拟， 具体如下:
短裂纹行为研究方法--蒙特卡罗模拟(Monte Carlo) （3）
研究背景与现状
材料疲劳裂纹扩展研究现状
许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求， 以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关 系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。 Paris公式： 工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效 的重要因素之一。据统计，机械零件破坏的50% ～ 90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是 消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应 用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全 寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
短裂纹行为研究方法--分形方法(fractal)（2）
计盒维数是应用最广泛的维数之一，其定义式可表示为
式中，D 为计盒方法计算的分形维数; O 为任一正方形欧式空间; 用边长为1 /2n 的盒子覆盖O，n 为边长缩小的倍数; Mn( O) 为盒子数。
计算计盒维数的方法： ①用边长为l 的正方形对待测图形进行网格化分割，并计算包含裂纹体的网格数M( l) ②取不同的l值，得到更多的M( l) 值; ③对不同的l 及M( l) 进行回归分析，满足下式的D 即为分形维数。
短裂纹行为模拟--蒙特卡罗模拟(Monte Carlo) （1）
主要理论：概率统计理论 主要手段：随机抽样 主要特点：利用随机变量的统计规律，求 解数学、物理和工程技术问题的数值方法， 也称统计试验法或随机模拟方法。 主要过程：对于材料疲劳裂纹行为模拟， 首先需要建立材料晶界组织结构示意图。 目前应用较多的晶界生成算法是Voronoi 网 格模型算法。
短裂纹扩展规律
关于疲劳短裂纹异常扩展的描述最早见于Pearson S的研究结果，短裂纹扩展行为的共同特点:
短裂纹可以在比长裂纹低的名义驱动力下扩展； 在相同名义驱动力下，短裂纹的扩展速率会比长裂纹的相 应速率高得多; 进入长裂纹阶段前，短裂纹扩展速率并不稳定，有时会呈 现先减速后加速的特征; 粗晶材料具有较高短裂纹扩展速率，但ΔKth也较高，而细 晶材料短裂纹扩展速率低，但ΔKth也较低; 大的晶粒取向差有利于短裂纹的萌生，小的晶粒取向差有 利于短裂纹的扩展。
短裂纹扩展规律—扩展寿命预测
短裂纹扩展的初始阶段材料细观组织对裂纹生长有阻碍作 用。Miller K J基于微观断裂力学并考虑微观组织的阻碍作 用，提出MSC 阶段短裂纹扩展特性关系式
式中，da /dN 为裂纹扩展速率，，Δγ 为剪应变范围; A 和α 为材料常数; a 为裂纹长度; d1代表微观结构障 碍尺度( 微观组织第一门槛值)。
短裂纹扩展规律—寿命预测
Hobson P D 和Brown M W 等将上式与PSC阶段短裂纹扩 展门槛值相结合，应用弹塑性条件下主导裂纹扩展规律， 建立裂纹从MSC 阶段进入PSC 阶段乃至长裂纹的扩展速率 方程
式中，B 和β 为材料常数，aPSC为PSC 阶段裂纹 长度或长裂纹长度，C 为PSC 阶段或长裂纹裂 纹扩展速率门槛值( 与微观组织第二门槛值相 关) 。
短裂纹萌生机理
关于短裂纹的形成有三种解释：
第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引 起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循 环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬 化速率低、饱和值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性 耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。 第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定 循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移 带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在 缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂 纹。 第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动， 晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩 散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
研究背景与现状
短裂纹的定义
短裂纹的定义有两种 其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力 学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效 性条件的裂纹统称为短裂纹; 其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度 不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一 数量级的裂纹。 疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观 结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的 物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。 主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短 裂纹行为模拟三方面内容。
短裂纹行为研究方法--BP 神经网络（1）
BP 神经网络是目前广泛应用的一种多层向前神经 网络算法，特别适合处理离散、含人工误差及不 完全的实验数据，可以模拟疲劳损伤的非线性动 力学过程。BP 神经网络通常由输入层、输出层和 若干隐层组成，每一层包含若干个神经元，每个 神经元传递函数形式相同，从输入到中间隐层再 到输出层，每层中的神经元都是一个全链接，但 每一层中的各神经元相互独立，通过改变传递函 数中的权重值，使得输出达到期望值。
短裂纹行为模拟--威布尔分布函数（Weibull function）
威布尔分布是由Waloddi Weibull 研究滚珠轴承疲劳寿命 提出的，可以广泛应用于损伤累积失效及各种寿命试验的 数据处理，威布尔分布类似于正态分布函数，但比正态分 布具有更大的适用性。其分布函数为
式中，N 为疲劳寿命; N0为最小疲劳寿命; L 为尺度参数; b 代表分布密度 曲线的形状，称为形状参数。当N0 = 0 时，则变为简单的二参数威布尔 分布。 此分布函数较三参数威布尔分布函数应用广泛，可以用于高应力水平下 的寿命预测，而三参数的威布尔分布则用于低应力水平下的寿命评估。 Sivapragash M等采用二参数威布尔分布函数对镁合金进行轴向拉伸疲劳 裂纹扩展统计，而Hünecke J 等则应用二参数威布尔分布函数对低碳钢进 行统计模拟。
短裂纹行为模拟
由于短裂纹的行为受多种因素( 如晶粒大小、 分布取向、载荷及环境) 影响，具有随机性， 因此目前短裂纹的模拟方法都是基于概率 统计方法发展起来的。 下面简要介绍常用的模拟方法：威布尔分 布函数（Weibull function）、蒙特卡罗模 拟(Monte Carlo)、分形方法(fractal)、BP 神经网络(back propagation artificial neural）。
短裂纹扩展规律—寿命预测
从能量的角度出发，当量应变能范围ΔW 和 循环J 积分范围ΔJ 与裂纹扩展速率da /dN 均存在一定的关系，而且不受时间、结构 形状和尺寸的影响，也与加载应变范围无 关，因此可以根据实验数据很好地拟合da /dN—ΔW 或者da /dN—ΔJ 曲线。用损伤因 子演化速率( dD/dN) 来预测发动机材料的 寿命，也同样是以实验为基础的方法，通 过对其他影响因素的方程修正，可以对发 动机低周热疲劳的寿命进行预测.
短裂纹行为研究方法--分形方法(fractal)（3）
图3 所示为实验测得表面裂纹原图，对其进500 × 500像素剪裁，增 强对比度及去噪点处理后，转变成二值图，并计算分形维数，统计不 同循环寿命下的分形维数，可以进行裂纹群体行为分析。众多实验研 究表明，疲劳裂纹扩展可以近似看作一个分形生长的过程，随着疲劳 的继续，分形维数会发生变化，而且此变化与缺口无关，说明分形维 数可以作为表征材料损伤状态的一个参量。
Xcsddsfds 大学
短裂纹扩展规律及分析方法研究
学 院： 专 业： 学 生： 指导老师：
内容：
引言 1.研究背景与现状
2. 短裂纹的定义 短裂纹萌生机理 短裂纹扩展规律 1.扩展机理
2.扩展寿命预测 短裂纹行为研究方法 1.威布尔分布函数（Weibull function） 2.蒙特卡罗模拟(Monte Carlo) 3.分形方法(fractal) 4. BP 神经网络(back propagation artificial neural）