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激光冲击强化产生的残余应力场中裂纹闭合机制：一种实验-数值结合的方法

DOI：10.1016/j.engfracmech.2019.106630 期刊：Engineering Fracture Mechanics 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 激光冲击强化（LSP）通过引入特定的、尤其是压应力残余场，成功应用于延缓金属轻质结构中的疲劳裂纹。本研究采用实验与多步模拟策略相结合的方法，揭示了这些LSP诱导残余应力场中疲劳裂纹延缓与加速的机理。研究发现，随着应力分布变化和应力强度因子范围减小，裂纹面接触成为延缓疲劳裂纹的主要机制。通过载荷-裂纹张开位移（COD）曲线、裂纹面扫描电镜（SEM）观测及数值模拟实验，均证实了裂纹面接触现象的存在。实验与模拟结果（尤其是特定裂纹面接触区域）的高度吻合，使得基于裂纹长度的应力强度因子评估更为准确。研究表明，裂纹闭合确实是LSP有效延缓疲劳裂纹的主要原因之一。此外，在复杂残余应力场中，裂纹闭合的出现并不意味着应力强度因子为零值，因为裂纹面接触区域强烈依赖于LSP诱导的压应力残余场。
作者： S. Keller，M. Horstmann，N. Kashaev，B. Klusemann
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究激光喷丸(LSP)残余应力场中的疲劳裂纹延缓与加速机制。

研究成果

裂纹闭合被认为是通过改变疲劳裂纹附近应力状态来降低裂纹驱动应力强度因子范围的主要机制。激光冲击强化（LSP）的有效应用需要引发裂纹闭合，这在特定载荷比下效果最为显著。研究还指出，观察到裂纹闭合并不意味着应力强度因子为零值，且喷丸区域后方的拉应力残余不会因该区域持续存在的裂纹闭合效应而导致疲劳裂纹加速扩展。

研究不足

该研究假设LSP过程模拟具有周期性，并在FCP模拟期间采用纯弹性材料模型，这可能无法解释所有塑性变形效应。此外，实验设置可能导致测量结果与模拟相比出现轻微偏差。

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