物理短裂纹Manson-Coffin 公式的理论研究及寿命预测

国际上广泛使用Manson-Coffin 公式来预测疲劳寿命, 但该公式不能确定疲劳寿命同裂纹尺寸之间的关系. 本文提出采用与疲劳极限有关的最大非损伤裂纹尺寸代替晶粒尺寸, 当裂纹达到最大非损伤裂纹尺寸时, 减速扩展速率降低到零. 在此基础上结合短疲劳裂纹扩展速率的变化规律, 导出了物理短裂纹的萌生和扩展速率同应力、应变、裂纹尺寸以及常规力学性能之间的定量关系. 从而做到直接用材料常规力学性能预测短裂纹的疲劳寿命.本文证明了短裂纹的寿命预测公式同Manson-Coffin 公式有相同的形式, 从理论上揭示了Manson-Coffin 公式的本质是短裂纹的萌生和扩展规律. 用本文公式预测的疲劳寿命与著名学者相关的试验结果进行了比较, 两者完全吻合. 并且本文公式中的系数和指数同试验数据的拟合公式也完全一致. 特别是对接近10 μm物理短裂纹疲劳寿命的预测同实验结果惊人的吻合. 用本文的公式对15 种材料的短裂纹扩展速率进行了预测, 其结果和实验值的吻合程度也令人十分满意, 显示了本理论的广泛适用性.