王 珂，王 哲，王 芳，崔維成

（1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海海洋大學 深淵科學技術研究中心，上海 201306）

過載保載對金屬材料疲勞裂紋擴展速率影響研究

王 珂1，王 哲1，王 芳2，崔維成2

（1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海海洋大學 深淵科學技術研究中心，上海 201306）

文章基于載荷次序效應產(chǎn)生影響的原因和相關預報模型，提出了考慮單峰過載和保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率預報模型。在文中提出的考慮載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率預報模型的基礎上，對幾種金屬材料在單峰過載、多峰過載、過載與保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率進行了預報研究，并將預報結果與相應試驗結果進行了比較，對考慮載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率預報模型的適用性進行了驗證。

載荷次序；裂紋擴展率；過載保載；潛水器

0 引 言

海洋環(huán)境具有較大的復雜性和多變性，海洋結構物在服役期間承受著周期性波動載荷的作用。因此，對潛水器耐壓殼結構在變幅載荷作用下進行疲勞裂紋擴展速率和壽命預報具有更加實際的工程意義。研究結果表明，結構疲勞壽命的決定性因素為疲勞載荷幅值的大小和每個循環(huán)中的應力最大值，此外，載荷的加載頻率、作用次序和載荷的正負等因素對結構的疲勞壽命也具有較大的影響。而大深度潛水器的耐壓殼結構在服役期間承受著更加復雜的波動載荷，目前許多學者在對其壽命進行研究時，將耐壓球殼結構的壽命問題視為結構的低周疲勞問題，而忽略載荷峰值處保載時間的影響。為了得到更加準確的結構疲勞設計，就要對室溫下具有保載時間的變幅載荷結構疲勞性能進行研究。直到目前，還未有學者提出考慮保載時間和變幅載荷共同影響的疲勞壽命預報模型。

1962年，Schijve和Brock對2024-T3鋁合金高載作用后的疲勞裂紋擴展速率進行了研究，發(fā)現(xiàn)在恒幅載荷作用下，每加一次高載，裂紋擴展速率就會立即降低，直到在低載下經(jīng)歷足夠多循環(huán)后，裂紋擴展速率才能恢復到原來水平，即所謂過載遲滯效應[1]。之后，學者們開始研究在恒幅載荷中加入單個或多個超載和卸載的結構疲勞問題。McEvily等[2]、Tianwen等[3]、Kalnaus[4]和Makabe等[5]學者對不同材料的單峰過載和卸載進行了試驗研究，試驗研究結果表明，當恒幅載荷中間加入一次或多次過載時，會導致材料裂紋擴展速率降低、試件壽命增加，即發(fā)生遲滯效應；而在恒幅載荷中加入一次或幾次卸載時，試件裂紋擴展速率增加，即產(chǎn)生加速效應。隨后，Kalnaus[4]提出了單峰過載下疲勞裂紋擴展速率預報模型；Tianwen等[3]提出了一個修正Wheeler模型，用來預報材料的過載遲滯效應。

本文在考慮小裂紋的疲勞裂紋擴展速率預報模型[6]和考慮載荷次序效應的典型疲勞裂紋擴展速率預報模型基礎上，提出了考慮過載和保載共同作用載荷次序效應下的疲勞裂紋擴展速率預報模型；并利用該模型對文獻[4，7-8]中幾種金屬材料在單峰過載、多峰過載疲勞裂紋擴展速率進行了預報研究；此外對鈦合金TC4ELI和X70[9]管線鋼在峰值保載及過載和保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率進行預報研究；并通過這幾種金屬材料疲勞裂紋擴展速率預報結果與相應試驗值進行了對比研究，從而證明本文提出的考慮載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率模型的可靠性。

1 疲勞裂紋擴展速率預報模型

1.1 考慮載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率預報模型

近幾十年，學者們對變幅載荷作用下疲勞裂紋擴展速率的預報進行了大量研究，并提出了一系列考慮載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率預報模型。1971年Wheeler[10]提出了考慮遲滯疲勞裂紋擴展行為的Wheeler模型。該模型認為：遲滯是由于高載在裂紋尖端引入了較大塑性區(qū)域而造成的。因此，Wheeler引入了一個載荷次序影響因子φR來體現(xiàn)載荷次序對疲勞裂紋擴展速率的影響：

式中：ai為低載時裂紋長度，m；ryi為低載作用下裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸，m；aOL為過載時裂紋長度，m；rOL為過載作用時裂紋尖端產(chǎn)生的高載塑性區(qū)域；γ為形狀指數(shù)。

Wheeler給出了低載作用和過載作用下的塑性區(qū)域尺寸分別為：

式中：α為塑性區(qū)域尺度系數(shù)，通過試驗數(shù)據(jù)確定；σY為材料的屈服應力，MPa。

圖1 Wheeler模型對裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果Fig.1 Prediction ofcrack growth rate after overloading using Wheeler’s model

由圖1可以看出，雖然Wheeler模型能夠較好地預報疲勞裂紋擴展速率的過載遲滯效應，但是對于預報延遲區(qū)域內(nèi)裂紋擴展速率趨勢存在一定的差異。為了更好地描述在過載延遲區(qū)域內(nèi)疲勞裂紋擴展速率的變化情況，Zhao[3]和李珊珊[11]等人在Wheeler模型的基礎上對載荷次序影響因子進行了修正，Zhao的修正模型如下式所示：

rpmr為聯(lián)合考慮過載和裂紋擴展的有效剩余塑性區(qū)域大小，可表示為：

rpi為第i個載荷循環(huán)作用下的塑性區(qū)域的大小，表示為：

根據(jù)李珊珊的修正模型，過載單獨作用時，載荷次序影響因子Φ表示為：

根據(jù)Rushton提出的rpOL過載引起的單調過載塑性區(qū)域尺寸可表示為：

rpR為裂紋長度為aR時裂紋尖端處塑性區(qū)大小，參照（7）式可表達為：

式中：△KR為裂紋長度為aR時的應力強度因子范圍，為過載時裂紋長度，m；aR為裂紋擴展速率恢復到恒幅循環(huán)載荷作用下穩(wěn)定水平時的裂紋長度，m，可表達為（11）式，可通過迭代求出aR。

1.2 保載和過載作用下疲勞裂紋擴展速率預報模型

對于圖2中的載荷工況，即常幅循環(huán)載荷中存在一次過載和保載的載荷情況，在Chen等[12]過載預報模型的基礎上，Wang[8]提出了預報該過載情況的裂紋擴展速率預報模型。該模型中假設單一拉伸過載和短時間的保載將不引起裂紋擴展，而是在裂紋尖端產(chǎn)生由于單峰過載和保載時間共同作用的單調塑性區(qū)域，圖3描述了由于過載和保載裂紋尖端塑性區(qū)域分布。單峰過載和保載時間共同作用時修正因子Φ由（12）式表達，其中rOL和rdt分別為單峰過載和保載時間在裂紋尖端引起塑性區(qū)域的大小。

圖2 具有過載和保載時間的循環(huán)載荷示意圖Fig.2 Schematic representation ofthe load pattern for cyclic loading with overload and dwell time

對于大多數(shù)材料，低溫蠕變（＜0.25Tm）變形主要是由蠕變第一階段決定的。在低蠕變應力和蠕變應變（＜2×10-3）時，許多材料第一階段蠕變變形可以表示為對數(shù)形式，即ε=l ln t+C。對于具有較大第一階段蠕變變形時，蠕變變形可以表達為指數(shù)形式，如（13）式所示。

式中：C1和k1為材料常數(shù)；T為時間，h。

根據(jù)Ramberg-Osgood的應力—應變曲線（14）式，將單調蠕變應力σcreep引起應變簡單等效成一應力值 σep。

則由單峰過載和保載時間引起裂紋尖端應力強度因子KOLC可表達為：

單峰過載和保載時間引起裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸rOLC可表達為：

因此，本文在Zhao[3]和Wang[8]模型的基礎上，提出了預報具有單峰過載和保載共同作用下的載荷次序修正因子ΦRC模型。該模型假設：在短時間保載內(nèi)裂紋不擴展；保載時間內(nèi)裂紋尖端塑性區(qū)域尺寸增加速率與穩(wěn)態(tài)蠕變速率相同。因此，將單峰過載和保載共同作用引起裂紋尖端塑性區(qū)域模型添加到有效剩余塑性區(qū)域中，具體表達如下式所示：

式中：rpOLC為聯(lián)合考慮過載（單峰過載和保載時間）和裂紋擴展的有效剩余塑性區(qū)域大小，可表示為：

rpi為第i個載荷循環(huán)作用下的塑性區(qū)域的大小，表示為：

根據(jù)Wang[8]rOLC單峰過載和保載時間引起的單調過載塑性區(qū)域尺寸可表示為：

rpR為裂紋長度為aR時裂紋尖端處塑性區(qū)大小可表達為：

式中：△KOLC在過載和保載共同作用下裂紋尖端產(chǎn)生相同塑性區(qū)域時，對應單峰過載應力值下的應力強度因子為裂紋長度為aR時的應力強度因子范圍，MPa m；aOLC為過載時裂紋長度，m；aR為裂紋擴展速率恢復到恒幅循環(huán)載荷作用下穩(wěn)定水平時的裂紋長度，m，可表達為（23）式，可通過迭代求出aR。

2014年，Wang[6]提出了考慮小裂紋的疲勞裂紋擴展速率預報模型，如（24）式所示，該模型能夠較好的預報金屬材料疲勞小裂紋和長裂紋裂紋擴展行為，在該模型的基礎上，將考慮了過載、保載時間的載荷次序影響因子表達式（18）代入該模型中。則考慮單峰過載、多峰過載、保載及過載與保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率預報模型如（25）式所示：

過載作用或過載和保載時間共同作用時，

式中：Φ為載荷次序影響因子；ΦRC為考慮過載和保載時間的載荷次序影響因子；A為與疲勞循環(huán)載荷相關的材料和環(huán)境常數(shù)，MPa-mm1-m/2；a為裂紋長度，m；m表示疲勞循環(huán)載荷相關的裂紋擴展速率曲線斜率的常數(shù)；n為與循環(huán)項相關的不穩(wěn)定擴展程度的表征指數(shù)；R為疲勞循環(huán)載荷應力比；Kmax表示最大應力強度因子為材料斷裂韌性d為材料的內(nèi)部裂紋長度，m；△Kth-s表示小裂紋擴展門檻值表示載荷比為R時，長裂紋擴展門檻值，表示交變載荷作用下的最大應力，MPa；k表示裂紋閉合水平隨裂紋變化的參數(shù)，m-1。

2 載荷次序效應對裂紋擴展速率影響的預報研究

2.1 單峰過載對疲勞裂紋擴展速率影響的預報研究

Kalnaus[4]對SS304L不銹鋼材料的載荷次序效應對疲勞裂紋擴展速率的影響進行了試驗研究。對于過載主要進行了在相同基本疲勞循環(huán)載荷、不同單峰過載下疲勞裂紋擴展速率和不同基本疲勞循環(huán)載荷、相同單峰過載下疲勞裂紋擴展速率的研究。該材料的過載參數(shù)列于表1，對SS304L不銹鋼材料單峰過載下疲勞裂紋擴展速率的預報結果如圖4所示。

表1 SS304L 不銹鋼單峰過載參數(shù)表Tab.1 Parameters of SS304L for fatigue crack growth under overload

續(xù)表1

圖4 單峰過載作用下SS304L不銹鋼裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.4 Comparison of prediction with test data of SS304L under single overload

由圖4（a）、（b）、（c）和（d）的對比分析可以得到：在相同基本疲勞循環(huán)載荷△P時，裂紋擴展速率d a/d N最小值的試驗結果與預報結果都隨著單峰過載值POmax的增加而減小，即疲勞裂紋擴展速率過載遲滯效應變大，且過載影響區(qū)域隨著過載增加變大。由圖4（a）、（c）、（b）和（d）的對比分析可以得到：相同的單峰過載值POmax時，裂紋擴展速率d a/d N最小值的試驗結果與預報結果都隨著基本疲勞循環(huán)載荷△P的減小而減小，即疲勞裂紋擴展速率過載遲滯效應變大。預報模型（24）式對單峰過載疲勞裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比研究發(fā)現(xiàn)：單峰過載下疲勞裂紋擴展速率最小值的預報結果要低于試驗結果；除此之外整個過載塑性區(qū)域內(nèi)預報結果與試驗結果吻合較好。因此，在相同的載荷比下，過載比OLR增大，過載遲滯效應變大。由上面研究可得，該預報模型對SS304L不銹鋼的單峰過載遲滯現(xiàn)象具有較好的預報能力。

2.2 多峰過載對疲勞裂紋擴展速率影響的預報研究

基于考慮載荷次序效應疲勞裂紋擴展速率預報模型，對多峰過載作用下潛艇用高強鋼HTS-A的疲勞裂紋擴展速率進行預報研究。Huang[7]對潛艇用高強鋼HTS-A進行多峰過載疲勞裂紋擴展速率試驗研究，試驗中進行了四次過載比為OLR=2的過載作用，材料的過載參數(shù)列于表2中，圖5為多峰過載作用下疲勞裂紋擴展速率預報結果與試驗結果對比圖。

表2 HTS-A多峰過載參數(shù)表Tab.2 Parameters of HTS-A for fatigue crack growth under multiple overload

由圖5可以得到：對高強鋼HTS-A進行四次過載作用時，均發(fā)生了疲勞裂紋擴展速率明顯下降，即過載遲滯效應；該材料多峰過載遲滯效應的預報結果與試驗結果吻合較好；隨著過載作用時裂紋長度aOL的增加，過載遲滯效應影響區(qū)域也逐漸增加。因此，該考慮載荷次序的疲勞裂紋擴展速率預報模型能較好地反應該物理現(xiàn)象，并且預報結果與試驗結果吻合較好。

2.3 過載和保載時間對疲勞裂紋擴展速率影響的預報研究

利用（18）式和（25）式對鈦合金TC4ELI和管線鋼X70在單峰過載和保載時間共同作用下疲勞裂紋擴展速率進行了預報研究。鈦合金TC4ELI的過載參數(shù)列于表3中。在進行單峰過載和保載下疲勞裂紋擴展速率預報之前，要先對該兩種材料進行了室溫下的疲勞和蠕變試驗研究，從而確定常幅載荷時過載保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率預報模型中的模型參數(shù)，以及確定保載時間內(nèi)裂紋尖端過載塑性區(qū)域增加的速度。

圖5 多峰過載作用下HTS-A裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.5 Comparison of prediction with test data of HTS-A under multiple overload

表3 TC4 ELI過載參數(shù)表Tab.3 Parameters of TC4 ELI for fatigue crack growth under overload

圖6為文獻[7]中鈦合金TC4ELI室溫蠕變應變隨時間變化的試驗結果，通過對該曲線的擬合，得到該材料在蠕變載荷作用下應變變化速率為7.72E-6，從而可以確定保載時間內(nèi)裂紋尖端塑性區(qū)域增加的速率。

圖7為鈦合金TC4ELI單峰過載疲勞裂紋擴展速率預報結果與試驗值的對比圖。根據(jù)圖中試驗曲線，在OLR=2情況下，TC4ELI材料的試驗中出現(xiàn)了過載遲滯效應；當施加單峰過載時，疲勞裂紋擴展速率立即降低到最小值；由于該材料具有較高的屈服應力，所以單峰過載下裂紋尖端過載塑性區(qū)域尺寸小，即單峰過載疲勞裂紋擴展速率降到最小值之后，恢復到常幅載荷疲勞裂紋擴展速率的范圍小。根據(jù)圖中預報曲線，當施加單峰過載時，裂紋擴展速率預報結果立即降低到最小值，該最小值與試驗結果吻合較好；單峰過載之后，疲勞裂紋擴展速率的預報結果在過載塑性區(qū)域內(nèi)逐漸增加，當裂紋擴展到aR時，疲勞裂紋擴展速率的預報結果恢復到常幅載荷下疲勞裂紋擴展速率值。圖中預報結果與試驗值吻合較好。

圖6 TC4 ELI蠕變應變隨時間變化曲線Fig.6 Results of creep strain versus time curve for normal creep of TC4 ELI

圖7 單峰過載作用下TC4 ELI鈦合金裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.7 Comparison of prediction with test data of TC4 ELI under single overload

圖8 過載比對TC4 ELI鈦合金裂紋擴展速率影響的預報結果Fig.8 Prediction of overload effect to fatigue crack growth rate for TC4 ELI

圖8為利用（18）式和（25）式對不同過載比下鈦合金TC4ELI疲勞裂紋擴展速率的預報結果。由圖可以得到，隨著過載荷比OLR的增加，疲勞裂紋擴展速率降低至的最小值更低，裂紋尖端過載塑性區(qū)域尺寸增加，即疲勞裂紋擴展速率恢復區(qū)域變大，預報結果與試驗結果一致。

圖9為單一保載下鈦合金TC4ELI疲勞裂紋擴展速率的試驗結果與預報結果的對比圖。單一保載試驗中鈦合金TC4ELI試件采用與單峰過載試驗相同的標準CT試件，載荷比R=0，基本疲勞循環(huán)載荷△P為22 kN，在該基本循環(huán)載荷峰值處保載8h，即OLR=1.0。由圖可以得到，雖然單一保載下疲勞裂紋擴展速率試驗結果具有一定離散性，但總體上表現(xiàn)出了8h保載對疲勞裂紋擴展速率的遲滯效應；由于該材料具有較高的屈服應力，保載8h之后，裂紋尖端保載塑性區(qū)域小，即保載開始時的裂紋長度aOL到aR之間的距離??；圖中曲線為考慮載荷次序效應疲勞裂紋擴展速率預報模型的預報結果，預報中各個過載參數(shù)采用與單峰過載時的參數(shù)相同，可以發(fā)現(xiàn)，保載8h疲勞裂紋擴展速率的預報結果與試驗值吻合較好。

圖10為利用（18）式和（25）式對不同保載時間下鈦合金TC4ELI疲勞裂紋擴展速率的預報結果。由圖可以得到，隨著保載時間的增加，TC4ELI疲勞裂紋擴展速率減小到的最小值將更低，裂紋尖端過載塑性區(qū)域尺寸增加，即裂紋擴展速率恢復區(qū)域變大；通過鈦合金TC4ELI室溫蠕變、單峰過載和單一保載的試驗結果和預報值的對比研究發(fā)現(xiàn)，室溫情況下，鈦合金TC4ELI對蠕變和單一保載并不是非常的敏感。

聶德福[8]對管線鋼X70室溫蠕變力學行為和室溫蠕變對疲勞裂紋擴展影響進行了試驗研究。試驗研究表明X70管線鋼對室溫蠕變是比較敏感的，并且對該材料的不同熱處理過程對其室溫蠕變行為有著不同的影響；單峰過載和室溫蠕變對X70管線鋼的疲勞裂紋擴展速率產(chǎn)生了明顯的過載遲滯效應。利用本文提出的考慮載荷次序疲勞裂紋擴展速率預報模型對X70管線鋼的疲勞、單峰過載、單峰過載和保載載荷工況下的疲勞裂紋擴展速率進行預報研究，并將預報結果與聶德福試驗結果進行對比研究，從而驗證該模型的可靠性，管線鋼X70的過載參數(shù)列于表4中。

圖9 8小時保載載作用下TC4 ELI鈦合金裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.9 Comparison of prediction with test data of TC4 ELI under 8h dwell time

圖10保載載作用下TC4 ELI鈦合金裂紋擴展速率的預報結果Fig.10 Prediction of dwell time effect to fatigue crack growth rate for TC4 ELI

圖11 為X70管線鋼常幅載荷作用下疲勞裂紋擴展速率預報結果與試驗值的對比圖。圖中疲勞裂紋擴展速率試驗采用的是標準CT試件，載荷比R=0.05，試驗材料X70管線鋼的屈服應力為552MPa，拉伸極限值為649MPa，該材料的斷裂韌性為110MPa。由圖可以得到，在考慮小裂紋的疲勞裂紋擴展速率預報模型基礎上，對常幅載荷作用下X70管線鋼疲勞裂紋擴展的預報結果與試驗值吻合較好；從而可以確定用于預報單峰過載和過載與保載共同作用兩種載荷工況的模型參數(shù)。

表4 X70過載參數(shù)表Fig.4 Parameters of X70 for fatigue crack growth under overload

圖12為X70管線鋼不同過載比OLR下疲勞裂紋擴展速率預報結果與試驗值的對比圖。由圖可以得到，不同單峰過載比下，當施加過載后X70管線鋼疲勞裂紋擴展速率的試驗值均立即下降到最小值，隨后再逐漸恢復到常幅載荷作用下疲勞裂紋擴展速率的水平，即在三種OLR情況下X70均表現(xiàn)出明顯的過載遲滯效應；隨著過載比OLR的增加，單峰過載作用后的裂紋擴展速率下降到的最小值更低，裂紋尖端過載塑性區(qū)域增大，單峰過載遲滯效應影響區(qū)域增加；圖中X70管線鋼單峰過載疲勞裂紋擴展速率的預報結果與試驗值吻合較好?？傮w上講，（25）式能夠較好地預報X70管線鋼單峰過載下疲勞裂紋擴展試驗中得到的各種物理現(xiàn)象。

單峰過載和保載共同作用時X70管線鋼疲勞裂紋擴展速率預報結果與試驗值的對比如圖13所示。由圖可以得到，單峰過載和保載時間共同作用時，在三種過載比下X70管線鋼疲勞裂紋擴展速率立即下降到最小值，然后再逐漸恢復到常幅載荷疲勞裂紋擴展速率的水平，即產(chǎn)生了明顯的過載遲滯效應；將圖13與圖12進行對比發(fā)現(xiàn)，在過載峰值處保載5 000s時，X70管線鋼疲勞裂紋擴展速率的遲滯效應要大于單峰過載情況，這說明保載5 000s對疲勞裂紋擴展遲滯效應具有一定的影響；隨著過載比OLR的增加，試驗表現(xiàn)出疲勞裂紋擴展降低至的最小值更小和裂紋尖端的過載塑性區(qū)域均增加，這與單峰過載試驗中的物理現(xiàn)象相一致；利用考慮載荷次序效應的裂紋擴展速率預報模型對在單峰過載和保載共同作用下X70疲勞裂紋擴展速率進行了預報，預報結果反映出了試驗中疲勞裂紋擴展速率遲滯效應的現(xiàn)象。因此利用（18）式和（25）式能夠較好地預報X70管線鋼在單峰過載和保載共同作用下疲勞裂紋擴展速率的遲滯效應。

圖11 常幅載荷作用下X70鋼疲勞裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.11 Comparison of prediction with test data of X70 under constant amplitude load

圖12 單峰過載作用下X70鋼疲勞裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.12 Comparison of prediction with test data of X70 under single overload

圖13 單峰過載和保載時間共同作用下X70鋼疲勞裂紋擴展速率的預報結果與試驗結果對比Fig.13 Comparison ofprediction with test data of X70 under single overload and dwell time

3 結 語

本文在考慮小裂紋效應裂紋擴展速率預報模型的基礎上，結合Wang和Zhao的載荷次序修正因子公式，提出了考慮載荷次序效應的疲勞裂紋擴展速率預報模型，并利用該模型對幾種金屬材料在單峰過載、多峰過載、保載和過載共同作用下疲勞裂紋擴展速率的遲滯效應進行了預報研究，并將預報結果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，從而驗證了該模型的可靠性。主要得到以下結論：

（1）對SS304L和HTS-A材料在單峰過載和多峰過載下疲勞裂紋擴展速率進行了預報，發(fā)現(xiàn)相同基本疲勞循環(huán)載荷下，隨著過載峰值的增加，過載后疲勞裂紋擴展速率降低的最小值更小，裂紋尖端過載塑性區(qū)域更大；當過載峰值相同時，隨著基本疲勞循環(huán)載荷幅值的降低，過載遲滯效應更明顯；單峰過載和多峰過載下預報結果與試驗結果均吻合較好；

（2）對鈦合金TC4單峰過載下和保載下疲勞裂紋擴展遲滯效應進行了預報研究，隨著單峰過載比OLR增加，TC4過載遲滯效應更加明顯；TC4單一保載8h的疲勞裂紋擴展速率預報結果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，從而說明該模型可靠性；

（3）隨著過載比OLR的增加，過載后X70鋼的疲勞裂紋擴展速率降低至的最小值更低，裂紋尖端過載塑性區(qū)域尺寸更大，并且預報結果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好；不同過載比、過載和5 000s保載時間共同作用下X70鋼裂紋擴展速率的遲滯效應較疲勞狀態(tài)下產(chǎn)生更加明顯的遲滯效應，隨著過載比的增加遲滯效應增加，預報結果與試驗值吻合較好。

因此，本文提出的考慮載荷次序效應的疲勞擴展速率預報模型對不同金屬材料在單峰過載、多峰過載、過載與保載共同作用下裂紋擴展速率具有較強的預報能力，為真實研究海洋結構物在周期性波動載荷作用下的疲勞壽命預報研究提供了理論依據(jù)。

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Effect of overload and dwell time on fatigue crack growth rate of metal materials

WANG Ke1,WANG Zhe1,WANG Fang2,CUI Wei-cheng2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Eng.,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China; 2.Hadal Science and Technology Research Center,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The prediction method for the fatigue crack growth rate considered single overload and dwell time is presented based on the cause of the effect of load interaction phenomenon and the relevant prediction models.The model is used to forecast fatigue crack growth rate of several metal materials under single overload,multiple overload and single overload and dwell-time,compared with the corresponding experimental data,to verify the reliability of the prediction method.

load interaction;crack growth rate;dwell overload;manned pressure hull

U663.9

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.012

1007-7294（2017）07-0895-12

2017-01-18

王 珂（1976-），女，副教授，E-mail：ecsibelle@126.com；

王 哲（1991-），女，碩士研究生；

王 芳（1979-），女，副研究員。