【摘 要】
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裂纹闭合效应自被发现以来便成为各国学者的研究热点。传统裂尖应力场模型无法描述裂尖塑性区及尾迹区对裂尖应力场的影响,而CJP模型可以弥补传统模型的不足,且在针对聚碳酸酯、工业纯钛、铝合金等材料的塑性诱导裂纹闭合效应形成机理研究中取得了丰硕成果。车轴在服役过程中承受的载荷复杂,且受到轮轨激励等因素导致的过载影响,因此本文以高速列车EA4T车轴钢为试验材料,借助数字图像相关技术,开展过载条件下的紧凑拉伸
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（编号:51675446）载荷形式对铁道车辆关键部件材料疲劳短裂纹行为的影响；
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裂纹闭合效应自被发现以来便成为各国学者的研究热点。传统裂尖应力场模型无法描述裂尖塑性区及尾迹区对裂尖应力场的影响,而CJP模型可以弥补传统模型的不足,且在针对聚碳酸酯、工业纯钛、铝合金等材料的塑性诱导裂纹闭合效应形成机理研究中取得了丰硕成果。车轴在服役过程中承受的载荷复杂,且受到轮轨激励等因素导致的过载影响,因此本文以高速列车EA4T车轴钢为试验材料,借助数字图像相关技术,开展过载条件下的紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展试验,探究CJP模型参数确定方法及其对EA4T车轴钢裂纹闭合效应的表征,可为利用CJP模型开展裂纹扩展寿命预测提供参考。具体研究内容如下:首先,开展了EA4T车轴钢紧凑拉伸试样的裂纹扩展及数字图像相关试验,试验过程中试样先后经历1.2倍和1.5倍两次过载,为后续研究提供试验数据支撑。其次,给出I型裂纹尖端应力场近似表达式——Westergaard模型,分析了Westergaard模型在表征裂尖应力场及尖端塑性区的缺点,并基于此对CJP模型的应力场及应力强度因子解析表达式进行了详细推导。进而,提出基于非线性迭代法的CJP模型参数求解方法:借助垂向位移场连续性在裂尖处的突变特征初步确定裂尖坐标,结合线性拟合法求解CJP模型初始参数;利用L-M非线性迭代法结合PCG算法优化裂尖位置和CJP模型参数;借用Westergaard模型与裂尖应力场精确解的相对误差结果,给出拟合区域外径的一般选择方法;使用二维Savitzky-Golay数字微分器求解应变场,结合广义胡克定律求解塑性区以确定拟合区域内径。比较不同工况下CJP模型理论塑性区与试验塑性区的形状和大小差异,结果表明理论塑性区与试验塑性区面积的相对误差绝对值小于8%,验证了CJP模型在表征裂尖应力场和塑性区的准确性,也证明了所提求解CJP模型参数方法的有效性。最后,利用抛物线—直线拟合法结合试验位移场数据得到了不同条件下EA4T钢紧凑拉伸试样的裂纹张开力,常载下的裂纹张开力保持在470 N左右,过载之后在1100循环内张开力小于470 N,最小仅为280 N;探究了CJP模型应力强度因子KF、KR随外载荷的变化规律,常载条件下KF随外载荷变化的转折点对应载荷为450 N至500 N,这与传统的裂纹闭合效应表征参量（裂纹张开力）保持较好的一致性,过载后1100循环内KF变化的转折点对应载荷为600 N至700 N,与张开力值相差很大,KR随外载的变化规律与张开力的相关性较差;进一步研究了?KCJP/?K与?KF/?K随裂纹长度的变化规律,结合裂纹扩展速率随裂纹长度的变化,表明?KCJP/?K与?KF/?K的变化趋势均能反映出过载导致的裂纹闭合效应变化对裂纹扩展速率的影响;最后探究了?KCJP、?KF与裂纹扩展速率之间存在的关系,结果显示在双对数坐标系中,?KCJP、?KF与使用递增多项式法计算的da/d N呈现较好的线性关系,可为过载条件下开展裂纹扩展寿命预测提供参考。
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