金屬材料多軸棘輪-疲勞交互作用的實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、材料和構(gòu)件的疲勞破壞問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程界研究和關(guān)心的熱點(diǎn)課題。航空航天、核工業(yè)、化工以及鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛中許多金屬構(gòu)件在復(fù)雜加載條件下服役的，要對(duì)這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性、安全性和疲勞壽命進(jìn)行合理的評(píng)估，必須要得到能夠精確描述復(fù)雜加載條件下材料變形行為的本構(gòu)方程與描述材料衰壞過(guò)程的損傷演化方程以及相應(yīng)的失效準(zhǔn)則。復(fù)雜加載條件下材料的本構(gòu)行為描述和疲勞失效準(zhǔn)則的研究一直是固體力學(xué)界的研究重點(diǎn)、難點(diǎn)與熱點(diǎn)之一。近二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)材料的

2、循環(huán)變形行為進(jìn)行了大量的研究，并已建立了一些循環(huán)塑性和粘塑性本構(gòu)模型，但對(duì)于非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)中產(chǎn)生的棘輪行為（塑性應(yīng)變的循環(huán)累積）的本構(gòu)描述尚不盡完善。對(duì)于材料的低周疲勞行為，目前絕大多數(shù)的研究都是針對(duì)應(yīng)變控制循環(huán)加載工況，對(duì)于應(yīng)力控制循環(huán)加載下的低周疲勞研究較少。特別是在有平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)下，材料將產(chǎn)生逐漸增長(zhǎng)的棘輪變形，這種情況下，估算材料的疲勞壽命，必須同時(shí)考慮棘輪行為和疲勞損傷及它們之間的相互作用。因此，有必要對(duì)應(yīng)力控制循環(huán)

3、下的棘輪-疲勞交互作用做更加深入的研究，并發(fā)展非比例多軸應(yīng)力復(fù)雜加載條件下的考慮棘輪效應(yīng)的疲勞失效模型。這對(duì)于固體力學(xué)學(xué)科及其相關(guān)學(xué)科具有重要的理論意義，對(duì)工程構(gòu)件更可靠的設(shè)計(jì)和使用也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 為了對(duì)金屬材料的非比例多軸棘輪-疲勞交互作用行為進(jìn)行深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，本論文開(kāi)展了如下工作： 1．在室溫下，對(duì)三類(lèi)材料（循環(huán)硬化材料304不銹鋼；循環(huán)軟化材料調(diào)質(zhì)42CrMo鋼；循環(huán)穩(wěn)定的退火42CrMo鋼）室

4、溫單軸和非比例多軸應(yīng)力循環(huán)加載條件下的棘輪變形、疲勞失效行為及損傷演化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)研究，得到了材料棘輪-疲勞交互作用行為的基本特性，為耦合損傷循環(huán)本構(gòu)模型以及考慮棘輪效應(yīng)的低周疲勞失效模型的理論研究奠定了基礎(chǔ)。 2．在連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和統(tǒng)一粘塑性循環(huán)本構(gòu)的框架下，提出了一個(gè)新的耦合損傷的粘塑性本構(gòu)模型，對(duì)調(diào)質(zhì)42CrMo鋼的全壽命棘輪行為進(jìn)行了描述，并結(jié)合所選用的失效判據(jù)，對(duì)材料在應(yīng)力循環(huán)下的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

5、該模型在粘塑性本構(gòu)模型中引入了疲勞損傷，將損傷分為宏觀彈性損傷和塑性損傷兩部分，并采用不同的損傷演化方程來(lái)描述這兩類(lèi)損傷。針對(duì)材料不同的失效模式，分別采用損傷變量門(mén)檻值和最大應(yīng)變作為失效判據(jù)。模型的模擬結(jié)果表明，發(fā)展的耦合損傷本構(gòu)模型合理地描述了調(diào)質(zhì)42CrMo鋼單軸和多軸全壽命棘輪行為，并較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了相應(yīng)的疲勞壽命。 3．根據(jù)材料不同的特性，以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，建立了考慮棘輪效應(yīng)的簡(jiǎn)化疲勞失效模型。這些模型以應(yīng)力作為基本