典型疲劳载荷下7050铝合金裂纹扩展行为与裂尖变形场研究

摘要

航空结构件在实际服役中通常承受复杂的交变载荷作用，其中以拉/压平均载荷与瞬时过载最为常见。特别是在瞬时过载后，含裂纹构件裂纹尖端成为损伤汇聚与变形不协调的焦点，由此导致疲劳裂纹扩展出现阻滞或加速现象，从而严重影响结构件的损伤容限行为。因此，研究典型疲劳载荷下含裂纹构件宏观裂纹扩展行为及其与裂尖微区应力应变分布之间的关系，对于深刻理解疲劳过载损伤机制和开展损伤容限设计等具有重要的意义。
　　本文以7050铝合金中心裂纹(MT)试样为对象，开展了拉/压平均载荷和单峰拉伸过载下的疲劳裂纹扩展试验。结果表明：恒幅疲劳载荷下，裂纹扩展速率随平均载荷增加而增大；单峰拉伸过载后，裂纹扩展出现迟滞现象，过载比越大，迟滞效应越显著。裂尖形貌观测则揭示出拉伸过载后裂纹扩展出现了明显的曲折与分叉现象。
　　利用数字图像相关(DIC)技术和显微网格(MG)法分别测试了7050铝合金中心裂纹(MT)试样拉伸过载前后的裂纹尖端变形场。结果显示：拉伸过载后，裂尖前方存在上下对称的变形带，紧临裂尖区域应变梯度较大，裂尖后方尾迹区则存在严重的残余变形。两种测试技术获得的应变场与有限元模拟结果基本一致；相比MG法，DIC技术测得的裂尖前方正/反向塑性区尺寸与有限元模拟结果更为接近。
　　基于裂尖微区变形场测试结果，本文采用Krottenthaler模型进一步计算了裂尖前方残余应力分布。结果表明：裂尖前方一定范围存在残余压应力，紧临裂尖残余压应力出现峰值，且过载比越大，残余压应力峰值越高，影响范围越大。裂尖前方残余应力场是导致拉伸过载后裂纹扩展迟滞行为的主要原因之一。
　　本文还采用现阶段四种代表性模型(Walker模型、Forman模型、Wheeler模型以及Elber模型)预测了7050铝合金中心裂纹(MT)试样在上述典型疲劳载荷下的裂纹扩展行为。结果显示：对于拉/压平均载荷情况，Walker模型预测结果优于Forman模型；而对于单峰拉伸过载情况，Wheeler模型预测结果与试验结果相对偏差在±15％的误差带内，优于Elber模型。因此，Walker模型与Wheeler模型可优先用于7050铝合金的损伤容限设计和疲劳寿命预测。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 影响铝合金疲劳裂纹扩展行为的主要因素

1.3 疲劳裂纹尖端微区变形场研究现状

1.4 基于DIC技术测试裂尖微区变形场的主要研究工作

1.5 疲劳裂纹扩展预测模型简要回顾

1.6 论文主要研究内容

2 试验材料与试验方法

2.1 引言

2.2 试验材料与试样制备

2.3 疲劳裂纹扩展试验

2.4 DIC技术测试裂尖微区变形场

2.5 MG法测试裂尖微区变形场

2.6 本章小结

3 拉/压平均载荷与拉伸过载下7050铝合金疲劳裂纹扩展行为研究

3.1 引言

3.2 拉/压平均载荷下的疲劳裂纹扩展行为

3.3 拉伸过载下的疲劳裂纹扩展行为

3.4 裂纹扩展路径与裂尖细观形貌

3.5 本章小结

4 拉伸过载下7050铝合金裂尖微区应力应变场研究

4.1 引言

4.2 裂尖微区应变场测试结果

4.3 裂尖应变场的有限元模拟

4.4 拉伸过载下裂尖前方残余应力分布

4.5 拉伸过载下的疲劳裂纹扩展迟滞行为分析

4.6 本章小结

5 典型疲劳载荷下7050铝合金裂纹扩展行为预测

5.1 引言

5.2 拉/压平均载荷下的疲劳裂纹扩展行为预测结果

5.3 拉伸过载下的疲劳裂纹扩展行为预测结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文主要研究结论

6.2 前景与展望

参考文献

附录

作者简历及在学期间所取得的科研成果