拉扭复合受力条件下金属材料的失效研究

发布时间：2017-11-09 02:30

  本文关键词：拉扭复合受力条件下金属材料的失效研究

  更多相关文章： 多轴疲劳 航空铝合金 寿命预测 失效机理

【摘要】：拉扭复合疲劳是典型的多轴疲劳模式之一。民航飞机大部分结构件如飞机的翼梁、隔框、翼肋等都承受多轴载荷的作用。2A12铝合金是典型的航空铝合金,在这些结构中广泛应用。所以,本文对2A12铝合金进行了多方面的多轴疲劳试验,断口的扫描电镜分析,建模与仿真分析。采用SDN100/1000型电液伺服拉扭复合疲劳试验机对2A12试样进行试验。通过改变应力幅值、相位角、应力幅比、平均应力等主要参数,研究在不同载荷加载模式下材料的寿命规律。拉扭疲劳试验后又对疲劳断口进行了宏观与微观分析,力求从断口的宏观与微观形貌方面发现规律。通过试验过程中采集的位移、载荷、扭矩和扭角数据,绘制相关循环曲线,观察循环过程中试样变化的相关规律。最后通过Patran建模的方法,采用内部不同的寿命计算方法得到材料的预测寿命,并与试验得到的试验寿命相对比,得到软件中较好的寿命预测方法。多方面研究2A12航空硬铝合金的拉扭复合疲劳性能。结果分析表明,在Von-Mise等效应力350MPa相同的条件下,单轴扭转疲劳寿命小于单轴拉压疲劳寿命。多轴疲劳寿命会随着相位差的加大而减小,随着拉扭应力幅比的增加而增加。在正应力幅值247.3MPa与切应力幅值143.1MPa均不变的条件下,改变二者的平均应力中的一个,另一个保持不变,无论增大还是减小,多轴疲劳寿命都会降低。在两极变幅加载试验中,等效载荷300MPa转350MPa的加载模式下,随着一级载荷循环周次的增加,试样的整体疲劳寿命增加,并产生锻炼效应;等效载荷350MPa转300MPa的加载模式下,随着一级载荷循环周次的增加,试样整体疲劳寿命减小。在正应力幅值和切应力幅值都不变的情况下,正弦波寿命大于三角波寿命,三角波寿命大于方波。在选用三种波形等数量循环组合时,疲劳寿命介于正弦波与方波之间。试样断面与试样主轴的夹角随着相位差的加大而增大,随着拉扭应力幅比的增加而减小。在单轴拉压疲劳断口上,裂纹扩展区出现开裂的疲劳条纹。在单轴扭转疲劳的断口上,整体形貌体现为旋涡状,并伴有指向扭转主轴的裂纹组。多轴疲劳断口呈现出明显的多裂纹源特点。在拉扭复合疲劳断口上,比例加载下可观察到疲劳条纹和蜂窝状形貌。非比例加载下可观察到鱼骨状形貌与鱼鳞状形貌。经过能谱分析可知,断口裂纹源区深色物质存在氧化物,孔洞中存在材料析出相。在不同的相位差下,在疲劳试验初期材料的扭向性质都呈现出循环硬化现象。随着应力幅比的降低,在疲劳试验初期材料拉向循环硬化现象越发明显。与正弦波、三角波相比,方波作用下循环迟滞现象最为明显试样体现出了更大的结构耗能。针对本文所采用的材料以及试样尺寸,对比Patran建模寿命预测结果发现,Fatemi-Socie方法在预测比例加载模式时更加准确,Wang-Brown+Mean方法得到的非比例模式计算结果更好。两种方法得到的结果均在2倍分散带以内。
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V215;V252

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