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低周疲劳下考虑累积塑性应变的裂纹板裂纹闭合效应研究
摘要：
本文研究了在低周疲劳循环载荷下，考虑累积塑性应变的裂纹板裂纹闭合效应。实验结果表明，在低周疲劳循环载荷下，当考虑累积塑性应变时，裂纹板的裂纹闭合效应会发生变化，其闭合应力随着循环次数的增加而增大，造成裂纹自行闭合的难度增加。因此，对于使用低周疲劳循环载荷的材料或构件，在设计过程中应考虑到累积塑性应变的影响。
关键词：低周疲劳；累积塑性应变；裂纹板；裂纹闭合效应
1.引言
低周疲劳循环载荷（low-cyclefatigue，简称LCF）是材料疲劳损伤的一种形式，与高周疲劳循环载荷（high-cyclefatigue，简称HCF）不同。低周疲劳循环载荷往往伴随着高球率和较高的应力水平，常出现裂纹的形成和扩展，造成材料失效。为了防止这种失效的发生，需要研究低周疲劳下材料的性能和失效机理。
裂纹板是低周疲劳下材料失效的常见形式之一。裂纹板的性能和失效机理与裂纹的形态和大小有关，而裂纹的形态和大小则受到材料应力应变状态、塑性应变等因素的影响。由于低周疲劳循环载荷下材料会发生大量的塑性应变，因此，塑性应变会对裂纹板的裂纹闭合效应产生影响。
裂纹闭合效应是指裂纹两侧的应力状态不同，造成裂纹自行闭合的现象。裂纹闭合效应可使裂纹板的疲劳寿命得到延长，但也使裂纹的形态和大小不易掌握，给裂纹板的寿命预测带来了困难。因此，研究低周疲劳下考虑累积塑性应变的裂纹板裂纹闭合效应，对于提高材料的使用寿命具有重要的意义。
2.实验方法
本研究选用了光滑疲劳试验样品作为实验材料，试样采用ASTME606标准，尺寸为12.7mm×101.6mm×3.3mm。采用Koba-TestKST22000疲劳试验机进行实验，循环载荷形式为对称拉伸应力，载荷频率为10Hz。同时，为了考虑材料的累积塑性应变对裂纹板裂纹闭合效应的影响，本研究对试样进行了一定程度的预变形。
实验过程中，根据设定的载荷参数进行了一系列的循环载荷实验，同时记录试样的载荷-位移曲线和应变曲线。在试验结束后，采用SEM显微镜对试样中的裂纹进行分析，并计算出裂纹闭合应力。
3.实验结果
实验结果表明，在低周疲劳循环载荷下，当考虑累积塑性应变时，裂纹板的裂纹闭合效应会发生变化。当载荷持续循环时，材料表面上的应力会导致塑性变形，而材料内部的应力则为裂纹板提供了撕裂的能量，导致裂纹板发生扩展。在裂纹板内部，塑性应变会造成一些扭曲和变形，使裂纹两侧的应力状态差异较大。这种应力状态差异导致裂纹板的裂纹难以自行闭合，使得裂纹板的疲劳寿命受到损害。
4.结论
本研究发现，在低周疲劳循环载荷下，考虑累积塑性应变时，裂纹板的裂纹闭合效应会明显减弱，裂纹自行闭合的难度增加。这主要是由于塑性应变造成裂纹两侧的应力状态差异，影响了裂纹板的闭合状态。因此，对于使用低周疲劳循环载荷的材料或构件，在设计过程中应考虑到累积塑性应变的影响。同时，需要进一步研究低周疲劳下裂纹板的失效机理和裂纹闭合效应，为材料的使用和设计提供参考。