疲勞耗散能及其在疲勞性能快速預(yù)測中的應(yīng)用研究.pdf

1、通過傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)方法得到準(zhǔn)確的高周疲勞參數(shù)，往往耗費(fèi)大量的費(fèi)用和時(shí)間。若干年來，探討縮短試驗(yàn)時(shí)間、減少試驗(yàn)成本的快速預(yù)測高周疲勞性能的理論和實(shí)驗(yàn)方法，一直是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)問題。能量方法是快速預(yù)測疲勞性能的一種重要手段，但現(xiàn)有方法在高周疲勞耗散能準(zhǔn)確計(jì)算、宏觀耗散能與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化關(guān)系及儲能測量等方面仍存在很多瓶頸和難點(diǎn)問題。為此，本文力求在基于耗散能的快速預(yù)測金屬疲勞性能方法上做出一些較有價(jià)值的嘗試和探索。首先針對高周疲勞過程中的

2、微熱變化，提出一種疲勞耗散能計(jì)算方法;其次，研究疲勞過程中宏觀耗散能與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化關(guān)系;最后，構(gòu)建基于穩(wěn)態(tài)耗散能和初始瞬態(tài)耗散能的疲勞性能快速預(yù)測方法。主要研究工作如下:
　　(1)提出一種基于紅外熱像技術(shù)的疲勞耗散能計(jì)算方法。在熱力學(xué)框架下，基于薄板假設(shè)，建立疲勞載荷下的材料的熱傳導(dǎo)方程。運(yùn)用非接觸式的紅外熱像技術(shù)和電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，構(gòu)建一套觀測疲勞微熱變化的紅外疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過設(shè)置參考試樣和隔熱裝置以降低環(huán)境噪聲的影響，

3、分離出導(dǎo)致局部溫升變化的耗散源、熱彈性源和熱輻射源，并推導(dǎo)出單循環(huán)疲勞耗散能計(jì)算公式及檢測門限，最后通過實(shí)例驗(yàn)證耗散能計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性。
　　(2)通過不同載荷歷程下的疲勞耗散能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了宏觀疲勞耗散能可作為表征材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的標(biāo)識?；谄谶^程中的能量平衡方程，推導(dǎo)出初始瞬態(tài)和穩(wěn)定能量耗散階段疲勞耗散能、塑性應(yīng)變能和儲能的理論計(jì)算方法，分析彈性遲滯區(qū)間內(nèi)耗散能和塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律。通過全面對比分析拉伸損傷和疲勞損

4、傷前后耗散能變化規(guī)律，可知宏觀疲勞耗散能與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化密切相關(guān)，可作為疲勞損傷評估的一個(gè)敏感指標(biāo)，并應(yīng)用于等變幅疲勞損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測中。
　　(3)提出一種基于穩(wěn)態(tài)耗散能的疲勞性能參數(shù)快速預(yù)測方法。當(dāng)經(jīng)歷一定的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)后，材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)能量耗散階段后，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演化達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài)過程，單循環(huán)疲勞耗散能基本保持恒定。通過擬合對應(yīng)不同疲勞載荷水平的穩(wěn)態(tài)耗散能，提出預(yù)測疲勞極限的“單線法”和“雙線法”。同時(shí)，擬合出疲勞耗散能-壽命曲

5、線與應(yīng)力-壽命曲線相同的規(guī)律，且耗散能-壽命曲線能夠表征疲勞壽命的離散分布。推導(dǎo)出基于穩(wěn)態(tài)耗散能的Miner累積損傷模型，將其用于預(yù)測剩余壽命預(yù)測和載荷次序效應(yīng)研究中，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，具有較好的精度。
　　(4)研究基于初始瞬態(tài)耗散能的高周超高周疲勞性能參數(shù)預(yù)測方法。在疲勞初始瞬態(tài)能量耗散階段，耗散能迅速增加并逐漸穩(wěn)定，對應(yīng)于材料的初始微塑性效應(yīng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測不同疲勞載荷作用下初始瞬態(tài)耗散能變化規(guī)律，研究基于初始累積塑性耗