低周循环下金属细观变形不均匀性演化与疲劳寿命的关联

发布时间：2020-05-15 04:34

【摘要】：金属材料在往复载荷下的疲劳是影响工程结构服役寿命的重要因素,人们对其研究已有160年以上的历史。经典的疲劳寿命分析方法是建立在经验基础之上的,在理论上和工程应用上都需要改进。本文探讨一种新的疲劳寿命分析方法,重点关注金属材料的多晶结构和晶体变形机制导致的细观变形不均匀性,研究低周往复变形下不均匀变形随循环次数的演化导致的局部细观应变增高及其与材料疲劳破坏的关系。考虑到材料的多晶构成方式,采用Voronoi多晶集合体作为描述材料结构和力学行为的代表性单元,应用晶体塑性本构理论对晶粒尺度下材料的循环塑性变形过程进行数值模拟分析。在此基础上研究材料细观变形的非均匀性演化,利用对材料往复细观变形非均匀性演化的统计分析总结低周疲劳破坏的规律,发展了材料低周寿命预测的新方法。本文主要研究工作如下:1.通过试验系统研究了 310S不锈钢不同温度下的Bauschinger效应和non Masing特性等循环塑性力学行为,获得了大量有重要意义的试验数据,并对该材料的宏观循环塑性理论模型和晶体塑性本构模型进行了参数标定。2.针对310S不锈钢,采用多试样法进行了不同路径下单调与循环预加载后的后继屈服面试验研究,讨论了塑性变形对诱导金属材料各向异性硬化行为的影响。试验发现后继屈服面的形状与预加载路径强烈相关,在预加载方向上后继屈服面的形状曲率变化较大,并且循环预加载会引起后继屈服面在垂直预加载方向上的膨胀。这些现象表明,经典塑性理论描述的后继面与实际情形不符,需要改进。3.采用能反映金属材料细观结构的Voronoi多晶集合体代表性单元,通过施加周期性边界条件并结合晶体塑性本构模型模拟拉压预循环后的后继屈服面的测试试验。结果表明:该方法可以很好的描述多晶金属材料的循环特性,能够反映循环加载过程中材料细观尺度变形的不均匀性,还能够反映与宏观实测一致的材料屈服特性演化及塑性变形诱导的各向异性硬化特征。4.采用上述模型结合晶体塑性本构模型分别模拟310S不锈钢3个温度下的疲劳试验,对代表性单元内加载轴向应变的标准差、第一主应变标准差与第一主应变统计均值等表征材料不均匀变形的参数随循环周次的演化规律进行了分析。发现它们均在数值上随循环数增长而增长,相对于102～104的循环寿命范围,这些参数存在有与温度相关的临界值,可利用临界值来判定不同试验温度下金属低周疲劳的发生。检验证实,若已知材料的循环回线,采用此方法只需通过一种应变幅值下的试验取得材料疲劳参数临界值,就可用模拟计算的方法预测其它应变幅值下材料的疲劳寿命。5.采用具有自由表面的Voronoi多晶代表性单元,对GH4169合金进行疲劳试验的晶体塑性模拟。分别用自由表面单元的加载轴向应变统计标准差、第一主应变统计均值和自由表面节点位移统计标准差来表征表面的不均匀变形,证实它们都可用于判定金属低周疲劳破坏的发生,预测结果与实测结果吻合。
【图文】：

材料在承受循环载荷时的应力应变曲线呈现出滞是重要的原因。因有这一效应存在，材料的塑性变形，而减弱了塑性流动相反方向的屈服应力图１－２应的说明简图，在拉伸载荷作用下材料的初始屈服开始发生塑性变形。将载荷卸载到零，然后往压缩性变形阶段，直至压缩加载至某一点处的应力与开才会在压缩加载方向进入屈服阶段。从图１－２可以料在压缩方向开始进入屈服节点那一点的应力明显始屈服应力［１４］。逡逑１逦Ｓｔ６３０－］逦３ＷＬＮ邋ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｃｔｅｃｌ邋＊逦丨＾！邋￣－

＾逦ａ邋＿邋逦逦ｇ逦＾逡逑２＾逦？逡逑图１－１应力－应变滞回曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐ邋ｏｆ邋ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔａｉｎ逡逑之所以金属材料在承受循环载荷时的应力应变曲线呈现出滞回曲线的形态，逡逑Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应是重要的原因。因有这一效应存在，材料的塑性变形使得在塑性流动方逡逑向的屈服应力提高，，而减弱了塑性流动相反方向的屈服应力图１－２给出了循环载荷逡逑下Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应的说明简图，在拉伸载荷作用下材料的初始屈服应力为0？0，随着拉逡逑伸加载的继续材料开始发生塑性变形。将载荷卸载到零，然后往压缩方向加载，在这一逡逑过程中材料处于弹性变形阶段，直至压缩加载至某一点处的应力与开始卸载点处的应力逡逑差值达到２以材料才会在压缩加载方向进入屈服阶段。从图１－２可以看出经过拉伸、卸逡逑载再反向加载，材料在压缩方向开始进入屈服节点那一点的应力明显低于材料在拉伸载逡逑荷作用下材料的初始屈服应力［１４］。逡逑（Ｊ邋１１逦Ｓｔｒａｉｎ邋ｏｍｐｌｉｔｕｄｃ邋（％）逡逑－逦
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG14

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