残留压缩应力对倾斜裂纹变形的影响

　　对于实际的机械构件,在制造过程中由于结构的需要往往要在部件中开槽或开孔,而且还可能存在其他的制造缺陷.使用过程中在应力的作用下,由以上的缺陷而产生裂纹几乎是不可避免的[1].作用于机械构件上的载荷未必就一定是与裂纹相垂直(裂纹的开口方向),而是与裂纹形成一定的角度,包含了裂纹的开口方向(Ⅰ型)和裂纹的滑移方向(Ⅱ型)的混合型条件下的情况比较多[2-4].到目前为止,对于单纯的Ⅰ型裂纹,使用有效应力扩大系数Keff对裂纹的变形的特性的评价已经有很多的相关报道[5-7].但是在混合型条件下,由于裂纹在变形过程中裂纹的上下表面要产生滑移,此时如果裂纹的表面呈锯齿状,则在裂纹开口较小时裂纹上下表面由于相互接触而使裂纹的变形受到影响.另一方面,对于实际的构造物中存在的裂纹,要想直接测得其周围的应力的大小有时是很困难的.对此提出了一种不是通过应力,而是通过测量裂纹的不连续变位量V(开口方向:Ⅰ型)、U(滑移方向:Ⅱ型),而直接计算裂纹端部的应力扩大系数(KⅠ)mes和(KⅡ)mes,从而评价裂纹的变形特性的方法.

　　1　实验方法

　　1. 1　试验片的制作

　　实验用钢材为S45C(相当于中国的45号钢),材料化学成分及机械性能分别如表1、2所示.图1是β=45°带夹具实验片的形状和尺寸.首先,用平面研磨将试料磨成所希望的厚度t=2 mm,按图中粗线的尺寸加工.为了使产生的裂纹能够在实验片的中央向两侧方向进展,实验片的中央开有φ=1 mm的中心孔.实验片与夹持实验片的夹具A于图中的左右两端E点处用电弧焊相连接.为了消除机械加工的影响,用真空炉做600℃, 1 h保温的回火热处理,然后用螺栓将夹具B固定其上即可.疲劳实验是在循环速度20 Hz,最大应力值бmax=140 MPa的正弦波载荷下进行的.实验开始直到发现裂纹发生为止应力比(最小应力与最大应力之比)R=-1,此后R=0的条件下直到从中心算起的单向裂纹长度a≒3 mm疲劳实验结束.然后,将图中的阴影部分加工出来,作为具有倾斜角为β=45°裂纹的实验片,如图2所示.

　　在以下的讨论中,由图1加工出的实验片(图2)直接使用,即为疲劳裂纹实验片;但如果对加工出的图2实验片进行回火热处理后再使用,则为回火裂纹实验片.

　　1. 2　不连续变位的测定

　　图3是沿着裂纹两侧打印的微型压痕标记的示意图.图3中的每一对压痕都是与裂纹相垂直的.裂纹在受载时测量每对压痕与裂纹垂直方向及平行方向的距离,它们与卸载时相应距离的差为裂纹开口方向变位量V及滑移方向的变位量U.图4是利用几何关系计算裂纹开口及滑移方向变位量的模型.比如裂纹两侧的一对压痕在没有载荷作用时其位置为A0和B0,但在受到试验片长轴方向的载荷б作用时其位置分别变为A1和B1.如果线段A0B0的x方向及y方向的分量分别表示为x0和y0,而线段A1B1的x方向及y方向的分量分别表示为x1和y1,则根据图中的几何关系可以容易地求出裂纹在该点的V及U的近似值,如式1所示[8].