实验确定保守阈值ΔKth及裂纹闭合贡献的新方法

《International Journal of Fatigue》：New procedure for experimental determination of conservative thresholds Δ K th and crack closure contributions

　　

• 针对钢铁材料，应在干燥空气中测量保守的疲劳裂纹扩展阈值。
• 提出了一种新方法，可获得具有材料相关性、离散性较小且可重复的阈值。
• 讨论了Paris区及近阈值区中的各种裂纹闭合贡献。
• 氧化物诱导的裂纹闭合是导致大离散性和非保守性的原因。
• 不锈钢中的氧化物诱导裂纹闭合效应与腐蚀钢中的同等显著。

引言

疲劳裂纹扩展阈值ΔKth定义了长疲劳裂纹不扩展的应力强度因子范围下限，因此是循环加载工程构件剩余疲劳寿命（RFL）估算的关键参数[1]、[2]，尤其在长期运行中安全性为关键因素时尤为重要。除了区分扩展与不扩展的裂纹外，阈值还决定了哪些加载循环可以被视为损伤性或无损伤性[3]、[4]。尽管大多数疲劳裂纹扩展（FCG）研究聚焦于Paris区，但近阈值区仍存在未解决的理论和方法论问题[2]、[5]、[6]。这一点至关重要，因为ΔKth的微小变化就可能导致预测RFL的巨大差异。设计用于长服役寿命的工程构件大多承受低于或仅略高于阈值的运行循环载荷[1]、[3]。因此，可靠的RFL预测需要精确的近阈值FCG数据。

阈值测定是一种实验要求很高的程序，需要长时间测试，并且需要处理众多测试条件对测量值的影响，而这些影响在定量上的作用尚未完全阐明[7]、[8]、[9]。单次阈值测量无法描述可能的离散带，因此可能导致非保守评估。这种不确定性也适用于构件测试，因为ΔKth被用于决定可以省略哪些加载幅值[9]。

近期研究[7]、[10]、[11]记录了不同研究团队对阈值问题的兴趣，并确认这仍然是一个高度前沿的研究领域。专题研讨会总结[2]中的结论指出，标准阈值测量方法可能产生大离散性，在某些情况下还会产生非保守值。这种离散性与裂纹尖端屏蔽机制密切相关，其中塑性诱导裂纹闭合（PICC）、粗糙度诱导裂纹闭合（RICC）和氧化物诱导裂纹闭合（OICC）是最常被研究的机制[1]、[12]、[13]、[14]。然而，目前尚无可普遍接受的定量方法，以适合实验评估或RFL模拟的形式分离这些分量。因此，开发此类方法是本研究的核心动机。

测量的ΔKth结合了本征裂纹扩展抗力与外生屏蔽效应。本征（有效）阈值ΔKeff,th描述了裂纹扩展的真实材料抗力。与通常假设的与传统强度参数（如屈服强度或极限抗拉强度）的关联不同，ΔKeff,th仅取决于杨氏模量和伯格斯矢量长度[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。令人惊讶的是，它在大多数金属中具有很高的可预测性，这与不同应力比下测量的ΔKth值的大离散性形成对比。因此，裂纹闭合效应主导了施加的阈值值，并在很大程度上控制了其对测试条件的敏感性[1]、[2]。因此，准确表征这些影响对于改进RFL预测至关重要。在近阈值区，裂纹开口位移过小，这使实验和数值研究都变得复杂。这就是为什么本研究引入了一种新方法，该方法仅依赖于FCG速率数据，而不依赖微观模型。

尽管裂纹闭合已被研究了数十年，但其各个分量的可靠定量描述仍然缺乏。常见的载荷比效应处理方法，如NASGRO方法[20]、[21]以及有模型支持的裂纹闭合研究（例如[22]），仅考虑PICC机制，尽管RICC和OICC在近阈值区可能同样重要。在钢铁中，OICC可以构成ΔKth的显著部分，并且可能强烈依赖于空气湿度和加载频率等因素[5]、[23]。这些参数在实验室之间和服务条件下经常变化，但很少进行系统控制。阈值测量还受到测试本身施加人为加载历史的影响。正如Newman[24]所展示的，ASTM E647[25]等标准载荷衰减程序可能产生受闭合影响的非保守阈值。

替代程序如循环压缩预裂纹[26]、[27]被引入以减少闭合效应并获得更保守的值。由循环压缩-压缩载荷产生的预裂纹减少了载荷降低过程中的PICC超载效应，这反过来也减少了OICC对阈值的影响。另一种可能是应用恒定Kmax方法[2]、[28]、[29]。有人认为即使使用这些策略，高R下的闭合也可能存在[30]。

本研究强调，OICC在钢铁的近阈值测试中引入了显著的加载历史效应。如果对手形成氧化碎屑的材料使用不适当的程序，测量的阈值可能人为偏高，导致RFL预测非保守。本研究开发的方法旨在通过将各个裂纹闭合贡献以定量且实验可及的方式分离来降低此风险。

在评估RICC和OICC之前，需要可靠描述PICC。据报道，当前的PICC模型有时能力有限，无法在不同材料之间一致地再现载荷比效应[31]。一个主要限制是模型通常仅依赖单调材料性能，尽管PICC也受反向塑性影响。残余裂纹尾迹变形取决于加载过程中的拉伸塑性延伸以及卸载过程中的压缩回弹[32]。材料微观结构方面，如亚晶畴或脆性相的微裂纹，也影响载荷比效应[31]。仅考虑单调性能的常见模型为不同材料提供了几乎恒定的PICC值，而实际差异应大得多以匹配观察到的数据。复杂的有限元模型可能捕捉循环材料行为，然而裂纹扩展和裂纹闭合依赖于许多可调的模拟参数，且结果需要实验验证。此外，对于需要模拟数百万次循环的实际RFL应用，该方法在计算上效率低下。在本研究中，避免了这些问题，且未在测量的FCG速率数据上施加数值模拟的PICC值。相反，实际载荷比效应直接从FCG速率数据中推导出来，用于现象学地确定PICC。

带条屈服模型[33]、[34]被广泛用于估算PICC，在变幅加载下尤其成功。可以通过改变约束因子α来适应实验结果。建议可以使用不同参数代替α来再现材料之间的巨大差异，同时保留α作为面外约束的原始含义。压缩约束因子β通常未被使用或保持等于1。建议使用它来改变单调塑性区和循环塑性区的大小比例以拟合不同材料行为[31]。在本研究中，裂纹闭合参数f = Kcl/Kmax从实验观察到的FCG速率数据中确定，而非从建模中得出。然而，这些值可用于查找带条屈服模拟中相应的β参数。

氧化物诱导的裂纹闭合已知已久[35]、[36]，但缺乏实用的定量描述。近期研究表明，钢铁在干燥空气中的阈值显著降低，因为断裂面上的氧化物碎屑形成受到抑制[13]、[23]。当氧化物和金属碎屑在裂纹尾迹中产生并积累后，由于断裂面反复接触，OICC得以发展。这需要另一种闭合机制（如PICC或RICC）的存在以及非常缓慢的裂纹扩展，通常低于约10?? mm/循环。在近阈值区，碎屑层可与裂纹开口位移相当，并可对裂纹闭合做出显著贡献。因此，OICC可能代表施加阈值的很大一部分。在高载荷比下，由于不存在断裂面接触，即使在很低的裂纹扩展速率下也不会生成氧化物碎屑。据报道，空气湿度[13]、[23]和加载频率[5]对OICC有显著影响。低频测试可以抑制OICC，但通常耗时过长而不切实际，而高频测试相对于实际运行可能产生过多氧化物碎屑并导致非保守阈值。本研究通过提出一种在保持实验可行测试条件的同时减少OICC贡献的程序来解决此问题。它还验证了这种效应在更多钢中的表现，并应用了新方法来量化ΔKth的各分量。

对ΔKth的有意义解读需要区分本征裂纹扩展抗力与外生屏蔽效应。将外生贡献进一步分解为PICC、RICC和OICC，对于确定测量的阈值中哪些部分代表材料行为、哪些部分反映测试条件、加载历史和环境是必要的。本研究的目的是开发一种实验可应用的方法，用于量化ΔKth值的机理贡献并确定实验离散性的主要来源。因此，旨在恢复ΔKth作为可用于模拟的材料参数的实用意义，并避免阈值测量及其在RFL预测中应用的非保守场景。

各节摘要

一种新的处理方法：利用干燥空气中的测量分离裂纹闭合各分量，以处理裂纹扩展速率数据。

提出了一种新方法，旨在避免裂纹闭合确定中的不确定性问题，以获得ΔKth作为相关的材料参数，这可以通过在低湿度空气中测量来实现。除了提高RFL估算的精度外，该方法还旨在提供更深入的机理理解、相关材料性能及其他影响因素的识别。

材料

所述方法应用于五种研究材料，对其疲劳裂纹扩展速率和阈值进行了测量。针对OICC机制作用的重点，选择了两种不腐蚀（不锈钢）和三种可腐蚀（低合金/碳钢）钢。实验材料的基本力学性能及其化学成分见表1和表2。其微观结构在本工作中进行了研究，并且光学

结果的重要性与一般讨论

裂纹闭合测量的实验技术，如背面对称或裂纹口开口位移技术，不可靠，且关于结果相关性的许多讨论和问题层出不穷。虽然它们仍然是获取数值的一种方式，特别是在变幅加载下，但所述方法可以在不使用任何有问题的测量技术的情况下确定裂纹闭合参数。此外，它允许各个闭合分量

结论

所述方法能够直接定量地将长疲劳裂纹中的总裂纹闭合效应分离为三个主要分量，定义如下：(i) 在Paris区观察到的载荷比效应（传统上归因于塑性诱导裂纹闭合），(ii) 在近阈值区起作用的附加分量（传统上归因于粗糙度诱导裂纹闭合），以及(iii) 空气湿度的影响（传统上指定为

CRediT作者贡献声明

Tomá? Vojtek：撰写——初稿、可视化、项目管理、方法学、调查、正式分析、数据整理、概念化。Pavel Pokorny：撰写——审阅与编辑、可视化、项目管理、方法学、调查、正式分析、数据整理、概念化。Radek Kubí?ek：撰写——审阅与编辑、可视化、项目管理、方法学、调查、正式分析、数据整理、概念化。Michal Jambor：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由捷克科学基金会资助，项目编号No. 22-28283S。本研究由项目"可持续交通与能源安全伙伴关系（PSSITE）"支持，项目编号CZ.02.01.01/00/23_020/0008549，由Johannes Amos Commenius计划"部门间合作"资助。

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