含表面纳米层的金属的拉伸和拉扭复合高周疲劳数值模拟

发布时间：2020-05-28 17:45

【摘要】：多数工程材料的失效(如疲劳断裂、侵蚀疲劳、磨损疲劳和腐蚀)都对材料表面的结构和性能非常敏感。在多数情况下,失效是起始于试件的表面。因此,选择合适的加工技术来增强试件表面的性能很有必要。目前,表面机械研磨技术是广受认可的提高材料表面性能的表面自纳米化方法之一。它通过施加外加载荷反复作用于材料表面,产生大的塑形变形,使得材料表层粗晶颗粒细化至纳米晶,从而提高材料的疲劳性能。疲劳断裂在发生破坏时不会发生明显的塑形变形,通常是突发性断裂,因此具有较大的危险性,常常造成严重事故。本文主要采用数值方法研究未经表面纳米化处理和经过表面纳米化处理后金属分别在拉伸载荷和拉扭复合载荷作用下的疲劳行为。在拉伸载荷作用下,采用与威布尔分布相结合的3D内聚力有限元方法来模拟粗晶和纳米结构金属的疲劳裂纹萌生和扩展。三参数威布尔分布用于表征内聚强度和断裂能的空间随机特性。由于拉伸试样为三维实体,为了减弱尺寸效应的影响,建立了局部蒙特卡罗模型。对于粗晶试样,研究发现随机场和载荷水平对裂纹路径,端部位移和疲劳寿命有显著影响。对于具有表面纳米层的金属试样,疲劳寿命与纳米层的厚度相关;当纳米层厚度从0增加到10μm时,疲劳寿命也随之增加。在拉扭复合载荷作用下,具有不确定性特征的粗晶和纳米结构金属的疲劳寿命和损伤演化行为通过3D内聚力有限元方法来模拟。为了描述金属疲劳的随机特性,将蒙特卡罗方法与三参数威布尔统计分布函数相结合。对于粗晶和纳米结构这两类金属,发现轴向载荷水平对试样的扭转振幅有很大的影响。与粗晶金属相比,研究发现纳米结构金属的抗疲劳性能得到了改善。这是因为它们的损伤萌生于纳米层下面的亚表面层,然后扩展到外表面。两类材料的疲劳寿命和扭转历程的数值结果和实验结果基本吻合,表明3D内聚力有限元方法能够有效预测这两类金属的损伤演化行为和疲劳寿命。本文的工作可以对未来相关金属材料的疲劳寿命和疲劳损伤演化行为的计算研究提供一些指导,为金属材料的疲劳性能改善及其相关应用打下基础。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG111.91

【参考文献】