划痕缺陷对30Ni4CrMoA试样疲劳寿命影响的试验与理论模型

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30743

固体力学与飞行器总体设计

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划痕缺陷对30Ni4CrMoA试样疲劳寿命影响的试验与理论模型

张梦伟¹^,², 胡伟平¹^,²(), 徐海斌³, 马占齐³, 詹志新¹^,², 孟庆春¹^,²

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
^2.强度与结构完整性全国重点实验室，北京 100191
^3.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150066

收稿日期:2024-05-28 修回日期:2024-06-24 接受日期:2024-07-24 出版日期:2024-08-23 发布日期:2024-08-10
通讯作者: 胡伟平 E-mail:huweiping@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12002011)

Experimental and theoretical model study on influence of scratch defects on fatigue life of 30Ni4CrMoA sample

Mengwei ZHANG¹^,², Weiping HU¹^,²(), Haibin XU³, Zhanqi MA³, Zhixin ZHAN¹^,², Qingchun MENG¹^,²

^1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Beijing 100191，China
^3.Harbin Aircraft Industry Group Co. ，Ltd. ，Harbin 150066，China

Received:2024-05-28 Revised:2024-06-24 Accepted:2024-07-24 Online:2024-08-23 Published:2024-08-10
Contact: Weiping HU E-mail:huweiping@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12002011)

摘要/Abstract

摘要：

制备了30Ni4CrMoA高强度结构钢的光滑试样以及不同划痕深度缺陷的试验件，并对这些试验件进行了疲劳试验测试，获得了含不同深度划痕缺陷和不同应力水平下试验件的疲劳寿命。基于连续损伤力学理论，在原有高周疲劳损伤演化方程的基础上，根据划痕根部最大应力分析与划痕深度的关系，以及试样疲劳寿命随划痕深度和应力水平的变化规律，提出了一种综合考虑划痕深度和应力水平影响的划痕影响系数表达式，建立了一种新的考虑划痕影响的等效疲劳损伤演化方程。基于该方程，无需建立划痕的有限元模型，直接采用闭合解法根据积分形式的疲劳寿命表达式即可对含划痕的30Ni4CrMoA试样进行疲劳寿命预估，理论预测结果与试验结果吻合很好，验证了所提方法的有效性和适用性。最后，还讨论了划痕影响系数与缺口疲劳系数的关系，以及划痕根部应力梯度的影响。

关键词: 划痕缺陷, 疲劳, 寿命预估, 30Ni4CrMoA高强度结构钢, 连续损伤力学

Abstract:

The smooth samples of 30Ni4CrMoA high strength structural steel and the test parts with depth scratch defects of different depths were prepared， and the fatigue life of the test parts with scratch defects of different depths and different stress levels were obtained. Based on the theory of continuous damage mechanics and the original high-cycle fatigue damage evolution equation， an expression for influence of scratch coefficient was proposed， which comprehensively considered the influences of scratch depth and stress level， according to the relationship between the maximum stress analysis at scratch root and scratch depth， as well as the change law of sample fatigue life with scratch depth and stress level. A new equivalent fatigue damage evolution equation considering the effects of scratches was established. Based on this equation， the fatigue life of 30Ni4CrMoA sample with scratches can be predicted by the closed solution directly according to the fatigue life expression in the integral form， without establishing the finite element model of scratches. The theoretical prediction results are in good agreement with the experimental results， which verifies the effectiveness and applicability of the proposed method. Finally， the relationship between the scratch influence coefficient and notch fatigue coefficient and the influence of stress gradient at scratch root were discussed.

Key words: scratch defect, fatigue, life prediction, 30Ni4CrMoA high-strength structural steel, continuous damage mechanics

中图分类号:

V215.5

张梦伟, 胡伟平, 徐海斌, 马占齐, 詹志新, 孟庆春. 划痕缺陷对30Ni4CrMoA试样疲劳寿命影响的试验与理论模型[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 230743.

Mengwei ZHANG, Weiping HU, Haibin XU, Zhanqi MA, Zhixin ZHAN, Qingchun MENG. Experimental and theoretical model study on influence of scratch defects on fatigue life of 30Ni4CrMoA sample[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(3): 230743.

图/表 33

图1

图2

表 1

表 2

30Ni4CrMoA塑性本构参数

$C 1$	$C 2$	$C 3$	$γ 1$	$γ 2$	$γ 3$
811 501.2	78 372.9	4 902.37	414 929.4	864.878	95.986

表 2

图3

图4

表 3

表 4

标准光滑件的S-N曲线参数

S-N曲线	C	A	$α$	疲劳极限/MPa
式（18）	1	0.057 79	0.519 5	715
式（19）	1	0.057 79	0.519 5	322

表 4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

表 5

表 6

0.25 mm划痕缺陷试样的S-N曲线参数

C	A	$α$	S_∞ /MPa
1	0.000 355 1	2.239	476

表 6

图11

图12

图13

图14

图15

图16

表 7

不同划痕深度缺陷的划痕影响系数

h/mm	S_max/MPa	$N 50 / 104$	k
0.25	600	5.413 3	1.49
0.25	550	6.097 8	1.60
0.25	525	8.617 7	1.65
0.1	820	6.817 7	1.07
0.1	785	8.558 2	1.10
0.4	450	8.263 9	1.93
0.4	400	25.189 3	2.0

表 7

图17

图18

表 8

疲劳损伤参数

$1 α (1 + β) / M P a m$	$n / M P a - 1$	$m$
5.271 1×10⁴⁰	1×10^-5	13.813 387

表 8

表 9

表 10

图19

表 11

表 12

图20

表 13

参考文献 30

1	ZHANG X S， MA Y E， YANG M， et al. A review of in-plane biaxial fatigue behavior of metallic materials［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2023， 123： 103726.
2	WU K L， LI B， GUO J J. Fatigue crack growth and fracture of internal fixation materials in environments-a review［J］. Materials， 2021， 14（1）： 176.
3	MA Y F， GUO Z Z， WANG L， et al. Probabilistic life prediction for reinforced concrete structures subjected to seasonal corrosion-fatigue damage［J］. Journal of Structural Engineering， 2020， 146（7）： 04020117.
4	MAKINO T， KATO T， HIRAKAWA K. Review of the fatigue damage tolerance of high-speed railway axles in Japan［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2011， 78（5）： 810-825.
5	ZERBST U， BERETTA S， KÖHLER G， et al. Safe life and damage tolerance aspects of railway axles-A review［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2013， 98： 214-271.
6	ZERBST U， MADIA M， KLINGER C， et al. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. Ⅲ： Cavities， dents， corrosion pits， scratches［J］. Engineering Failure Analysis， 2019， 97： 759-776.
7	YANG S S， HU W P， LI J， et al. Fatigue tests and damage model development on Al-Si-Mg aluminum alloys with low-velocity impact pit［J］. International Journal of Fatigue， 2021， 153： 106466.
8	ZHAN Z X， HU W P， ZHANG M， et al. The fatigue life prediction for structure with surface scratch considering cutting residual stress， initial plasticity damage and fatigue damage［J］. International Journal of Fatigue， 2015， 74： 173-182.
9	WU S C， XU Z W， KANG G Z， et al. Probabilistic fatigue assessment for high-speed railway axles due to foreign object damages［J］. International Journal of Fatigue， 2018， 117： 90-100.
10	SONG J H， AREIAS P M A， BELYTSCHKO T. A method for dynamic crack and shear band propagation with phantom nodes［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2006， 67（6）： 868-893.
11	INCE A， GLINKA G， BUCZYNSKI A. Computational modeling of multiaxial elasto-plastic stress-strain response for notched components under non-proportional loading［J］. International Journal of Fatigue， 2014， 62： 42-52.
12	LIM J， HONG S， LEE S. Application of local stress–strain approaches in the prediction of fatigue crack initiation life for cyclically non-stabilized and non-Masing steel［J］. International Journal of Fatigue， 2005， 27（10-12）： 1653-1660.
13	CHEN X， JIN D， KIM K S. A weight function-critical plane approach for low-cycle fatigue under variable amplitude multiaxial loading［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 2006， 29（4）： 331-339.
14	SUSMEL L， TAYLOR D. A critical distance/plane method to estimate finite life of notched components under variable amplitude uniaxial/multiaxial fatigue loading［J］. International Journal of Fatigue， 2012， 38： 7-24.
15	CHABOCHE J L. Continuous damage mechanics-A tool to describe phenomena before crack initiation［J］. Nuclear Engineering and Design， 1981， 64（2）： 233-247.
16	LEMAITRE J. A course on damage mechanics［M］. Berlin： Springer-Verlag， 1992： 11-19.
17	ZHAN Z X， HU W P， MENG Q C， et al. Fatigue life and defect tolerance calculation for specimens with foreign object impact and scratch damage［J］. Archive of Applied Mechanics， 2018， 88（3）： 373-390.
18	CINI A， IRVING P E. Development of fatigue cracks from mechanically machined scratches on 2024-T351 aluminium alloy-part I： Experimentation and fractographic analysis［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 2017， 40（5）： 776-789.
19	INCHEKEL A， TALIA J E. Effect of scratches on the fatigue behavior of an al-li alloy［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 1994， 17（5）： 501-507.
20	NISHIMURA Y， YANASE K， IKEDA Y， et al. Fatigue strength of spring steel with small scratches［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 2018， 41（7）： 1514-1528.
21	XIAO Y. A continuum damage mechanics model for high cycle fatigue［J］. International Journal of Fatigue， 1998， 20（7）： 503-508.
22	SHEN F， HU W P， MENG Q C. New approach based on continuum damage mechanics with simple parameter identification to fretting fatigue life prediction［J］. Applied Mathematics and Mechanics， 2015， 36（12）： 1539-1554.
23	YANG S S， HU W P， ZHAN Z X， et al. Fatigue tests and a damage mechanics-based fatigue model on a cast Al-Si-Mg aluminum alloy with scratches［J］. International Journal of Fatigue， 2022， 165： 107198.
24	高同州，贺小帆，王晓雷，等. 基于CDM理论与SVM模型的2014-T6铝合金疲劳寿命预测［J］. 航空学报， 2024， 45（7）： 228952.
	GAO T Z， HE X F， WANG X L， et al. Fatigue life prediction of 2014-T6 aluminum alloy based on CDM theory and SVM model［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（7）： 228952 （in Chinese）.
25	陈蕴博，张福成，褚作明，等. 钢铁材料组织超细化处理工艺研究进展［J］. 中国工程科学， 2003， 5（1）： 74-81.
	CHEN Y B， ZHANG F C， CHU Z M， et al. Advanced ultrafine technology of microstructure of iron and steel［J］. Strategic Study of CAE， 2003， 5（1）： 74-81 （in Chinese）.
26	万响亮，李光强，周博文，等. 奥氏体不锈钢晶粒细化对形变机制和力学性能的影响［J］. 材料工程， 2016， 44（8）： 29-33.
	WAN X L， LI G Q， ZHOU B W， et al. Effect of grain refinement on deformation Mechanism and Mechanical properties of austenitic stainless steel［J］. Journal of Materials Engineering， 2016， 44（8）： 29-33 （in Chinese）.
27	NEUBER H. Theory of noth stress： Principle for exact calculation of strength with reference to structural form and material［M］. 2nd ed.Berlin： Spring-Verlag， 1958.
28	PETERSON R E. Metal fatigue： Notch-sensitivity［M］.New York： McGraw-Hill， 1959：293-306.
29	MARMI A K， HABRAKEN A M， DUCHENE L. Multiaxial fatigue damage modelling at macro scale of Ti-6Al-4V alloy［J］. International Journal of Fatigue， 2009， 31（11-12）： 2031-2040.
30	石亮，魏大盛，王延荣. 考虑应力梯度的轮盘疲劳寿命预测［J］. 航空动力学报， 2013， 28（6）： 1236-1242.
	SHI L， WEI D S， WANG Y R. Fatigue life prediction of turbine disk based on stress gradient［J］. Journal of Aerospace Power， 2013， 28（6）： 1236-1242 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

划痕深度/mm	疲劳极限/MPa	疲劳缺口系数
0.1	710	1.007 0
0.25	476	1.502
0.4	397	1.801

划痕深度/mm	应力集中系数	疲劳缺口系数	划痕影响系数
0.1	2.29	1.007 0	1.08
0.25	3.03	1.502	1.60
0.4	3.59	1.801	2.0

[1]	马辉东, 连喆, 杨鑫源, 李德旺, 白学宗, 安宗文. 变频加载纤维增强复合材料剩余强度预测[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 231068-231068.
[2]	高同州, 贺小帆, 王晓雷, 李紫光, 朱振涛, 詹志新. 基于CDM理论与SVM模型的2014-T6铝合金疲劳寿命预测[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 228952-228952.
[3]	张福泽. 全机日历寿命确定及相关问题[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 229863-229863.
[4]	师雨晴, 段国升, 宋令慧, 武保林, 杜兴蒿. 循环加载频率对镁合金棘轮应变的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 430455-430455.
[5]	赵寿根, 王显浩, 谢瑞丽, 李名, 程伟. 基于功率谱分割的随机振动疲劳寿命估算方法[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 230265-230265.
[6]	曹正, 柴艳, 何光宇, 张兆路, 李璞, 查小晖. 压气机抗冲蚀涂层对钛合金疲劳性能的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 429930-429930.
[7]	於之杰, 郭玉佩, 孙汉斌, 张京楠, 孙侠生. 先进材料及工艺的结构完整性研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 29888-029888.
[8]	姚辽军, 魏景超, 陈向明, 啜明月, 李含月, 果立成. 纤维桥联作用下的复合材料Ⅰ型疲劳分层扩展[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 229919-229919.
[9]	李洪伟, 雷学林, 张成成, 汤超宗, 康胜龙, 陈亚龙, 程吕一, 张显程. GH4169高温合金孔结构的多级凸包旋转冷扩孔挤压强化工艺参数优化[J]. 航空学报, 2024, 45(16): 429692-429692.
[10]	牟彬杰, 蒋劲松, 杨堃, 付焕兵, 孟德虹, 金伟. 战斗机进气道结构声疲劳设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 229603-229603.
[11]	聂祥樊, 李阳, 王亚洲, 万全红, 何卫锋. 飞机结构激光冲击强化研究进展与展望[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 28595-028595.
[12]	顾孟奇, 朱家才, 郭万林, 薛松. 可重复使用运载火箭结构疲劳耐久性与可靠性展望[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 628299-628299.
[13]	赵淼东, 胡殿印, 毛建兴, 孙海鹤, 秦仕勇, 古远兴, 王荣桥, 田腾跃, 鄢林, 肖值兴. 轮盘低周疲劳模拟件设计及试验[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 228320-228320.
[14]	王秀锐, 李凯尚, 谷行行, 张勇, 陆体文, 王润梓, 张显程. 基于晶体塑性理论的高-低周疲劳寿命预测统一准则[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 427300-427300.
[15]	杜大华, 李斌. 液体火箭发动机结构动力学设计关键技术综述[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 27554-027554.

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Experimental and theoretical model study on influence of scratch defects on fatigue life of 30Ni4CrMoA sample

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划痕深度/mm	S_max/MPa	N/10⁴	N₅₀/10⁴
0.25	600	5.32 8.41 4.41 4.67	5.413 3
	550	4.15 7.31 7.11 6.41	6.097 8
	525	7.59 15.13 5.27 9.75 8.03	8.617 7
0.4	450	8.47 7.65 8.71	8.263 9
0.4	400	8.69 14.29 9.73 89.93 100	25.189 3
0.1	820	6.27 6.53 7.74	6.817 7
0.1	785	8.04 9.11	8.558 2

划痕深度/mm	应力水平/MPa	计算寿命/10⁴	中值寿命/10⁴
0.1	820	7.26	6.817 7
0.1	785	8.2	8.558 2
0.4	450	5.87	8.263 9
0.4	400	27.0	25.189 3