基于固有耗散的高周疲劳性能评估与热力响应分析研究

发布时间：2020-06-20 11:37

【摘要】：疲劳性能是工程材料最重要的力学性能之一。然而由于材料种类的多样性和疲劳问题本身的复杂性,人们至今尚未完全掌握材料的疲劳破坏规律以及疲劳损伤的物理机理,这已成为制约现代工业进一步发展的最大瓶颈之一。尤其是基于传统实验方法的材料疲劳性能评估,往往需要利用大量试件进行旷日持久的疲劳破坏试验,这不仅大幅增加了制造成本,而且极大限制了产品的研发速度和生产效率的提高。从本质上而言,材料疲劳失效是其微观组织结构在循环荷载作用下不断向着断裂方向进行演化的结果,并且该演化过程是一个伴随着能量耗散的不可逆热力学过程。实验表明,疲劳过程中绝大部分耗散的能量以热能的形式被释放,从而引起材料温度的变化。通过对循环荷载作用下受载试件的热力响应进行分析,获取与疲劳损伤演化有关的数据信息,再结合本构理论和数值模型,对材料的疲劳性能进行分析和评估,并进一步揭示疲劳损伤演化的微观物理机理,是开展疲劳研究的一条重要思路。正因如此,基于固有耗散的材料疲劳性能快速评估与循环荷载作用下的热力响应分析,已逐渐成为疲劳研究领域中最为活跃和最具潜力的研究方向之一。本课题研究的主要目的在于进一步发展和完善疲劳固有耗散理论,以及相关的实验技术和数值方法,并将其应用于金属材料的高周疲劳性能快速预测和橡胶材料的疲劳热力响应分析中,从而进一步揭示两种材料的疲劳损伤机理。本文的主要工作如下:1)建立了一套针对金属材料高周疲劳的固有耗散测算方法。在连续介质热力学和内变量理论的基本框架下,对材料在循环荷载作用下的热力学状态方程进行了推导和分析,重点研究了疲劳自热温升机制,以及薄板试件在不同维度下的热传导问题。基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了高周疲劳固有耗散计算模型,并根据实验数据对计算模型的有效性和可行性进行了分析和讨论。2)提出了一种快速评估金属材料疲劳性能的能量方法。该能量方法以固有耗散作为疲劳损伤指标;在剔除了固有耗散中由内摩擦效应引起的部分之后,可以得到与材料微塑性变形相关的部分;当这部分固有耗散累积达到一个临界值时,材料就发生疲劳破坏。利用该能量方法,对FV520B钢的疲劳性能进行了实验研究,并探究了固有耗散的荷载依赖性。通过与传统疲劳实验数据进行对比分析,证明该能量方法能够达到较高的预测精度,并且可以极大地缩短疲劳实验周期,降低实验成本。3)构建了一套金属材料的疲劳固有耗散模型。该模型通过引入相应的内变量,考虑了两类热力学不可逆的微结构运动方式,即引起材料滞弹性的可恢复微结构运动和引起材料疲劳损伤的不可恢复微结构运动。利用位错-点缺陷作用模型,对疲劳过程中出现的各类能量耗散机制进行了定性定量分析。另外,实验研究了预塑性应变对疲劳固有耗散的影响,并提出了具有统一性的经验公式。4)实验研究了炭黑填充橡胶材料在循环加载过程中的粘弹性热力响应及其演化情况,重点分析了预拉伸和炭黑填充量对疲劳应力软化、应力迟滞和自热温升的影响。理论分析了与滞回曲线对应的机械能耗散和与自热温升对应的固有耗散之间的关系,并与实验结果进行了联系。通过建立橡胶链-炭黑簇作用模型,探究了炭黑填充橡胶材料在循环加载过程中的能量耗散机制和疲劳损伤机理。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O346.2
【图文】：

成组法,升降法

为第＿／级应力水平的应力值，％为下平均寿命，／为应力水平级数。逡逑最后，结合升降法（或单点法）所确定的疲劳极限，就可以绘制材料或构件的曲逡逑线，如图１．２，用于材料或构建的抗疲劳设计。逡逑＾成组法数据Ｉ逡逑升降法确定的疲劳极限逡逑＼邋＾逡逑Ｎｆ邋（Ｃｙｃｌｅ）逡逑图１．２成组法逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｇｒｏｕｐ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑－４－逡逑

表面滑移,机制,滑移,滑移带

逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．４循环荷载下多晶体镍中滑移的发展［１］：邋（ａ）１０４周，（ｂ）５ｘｌ０４周，（ｃ）２７ｘｌ0４周逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｌｉｐ邋ｉｎ邋ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ邋ｎｉｃｋｅｌ邋ｕｎｄｅｒ邋ｃｙｃｌｉｃ邋ｌｏａｄｉｎｇ［１＾：邋（ａ）１０４邋ｃｙｃｌｅ，逡逑（ｂ）５邋ｘ邋１邋0４邋ｃｙｃｌｅ，（ｃ）２７ｘ邋１邋0４邋ｃｙｃｌｅ逡逑需要说明的是，绝大多数滑移是发生于晶粒内部的，并且深度较浅，但仍有少部分逡逑滑移可以穿过晶粒进行，深度可以达到大于几个微米的水平，称为“持久滑移带”或称逡逑“驻留滑移带”。这些持久滑移带最终演化成微裂纹。因而，滑移实际上只是出现在局逡逑部的高应力区域，而对于构件上的其余大部分区域则是没有任何滑移的。通过打磨或电逡逑解抛光等手段消除表面滑移线，可以有效抑制裂纹萌生，从而在一定程度上延长构件的逡逑服役寿命。逡逑－６－逡逑

【参考文献】