鑄鋁合金的高低周復(fù)合疲勞裂紋擴(kuò)展和壽命研究.pdf

1、汽車輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為降低汽車自重、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段。鑄鋁合金以其較高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的鑄鐵成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件的主要材料。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件如氣缸蓋和氣缸體等在工作狀態(tài)下承受著復(fù)雜的高低周復(fù)合疲勞載荷歷程，傳統(tǒng)的常幅載荷高、低周疲勞設(shè)計(jì)方法不再適用于高低周復(fù)合疲勞載荷條件下材料與結(jié)構(gòu)的耐久性分析與設(shè)計(jì)。鑄鋁合金材料的高低周復(fù)合疲勞行為研究將為新一代高性能輕量化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件的耐久性設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)。學(xué)術(shù)

2、界和工程界對(duì)于高低周復(fù)合載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展、疲勞損傷機(jī)理及疲勞壽命預(yù)測(cè)模型的研究仍然不夠充分。本文針對(duì)Al-Si-Cu系鑄鋁合金，采用試驗(yàn)研究和理論建模的手段，開(kāi)展高低周復(fù)合載荷條件的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和光滑試件疲勞壽命試驗(yàn)，研究疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律和疲勞損傷機(jī)制，并建立了疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值建模方法和高低周復(fù)合疲勞損傷模型。本文的主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)對(duì)鑄鋁合金E319-T7開(kāi)展了常幅載荷疲勞裂紋擴(kuò)展速度曲線試驗(yàn)和含拉伸或壓縮

3、過(guò)載的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。觀察到單個(gè)壓縮過(guò)載后的裂紋擴(kuò)展加速現(xiàn)象:在單個(gè)壓縮過(guò)載之后，裂紋擴(kuò)展速度立即提高，然后很快回落至常幅載荷下的穩(wěn)態(tài)水平。裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果表明，高低周復(fù)合載荷譜的壓縮過(guò)載作用使裂紋發(fā)生額外長(zhǎng)度的擴(kuò)展，對(duì)材料與結(jié)構(gòu)的耐久性具有一定的危害性。提出了裂紋長(zhǎng)度增量⊿aUL來(lái)定量評(píng)估不同壓縮過(guò)載水平和不同常幅載荷△K下的裂紋擴(kuò)展加速水平。⊿aUL越大，表示壓縮過(guò)載對(duì)裂紋擴(kuò)展的貢獻(xiàn)越大。本文的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和理論模型都指出:在相近的常

4、幅載荷△K下，壓縮過(guò)載越大導(dǎo)致⊿aUL越大;而當(dāng)壓縮過(guò)載相同時(shí)，⊿aUL隨著常幅載荷△K的增大而增大。
　　(2)提出并建立了基于臨界距離理論的疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值建模方法。該模型基于裂尖臨近距離處的塑性耗散能密度決定裂紋擴(kuò)展的思想，具有明確的物理意義。開(kāi)發(fā)了模擬裂紋擴(kuò)展的有限元模型（包括相關(guān)子程序UEL和UVARM）和計(jì)算裂紋擴(kuò)展速度的MATLAB后處理程序，基于R=0.1裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)曲線建立了裂紋擴(kuò)展判據(jù)（即臨界距離和臨界塑性耗散

5、能密度），定量預(yù)測(cè)了裂紋在不同應(yīng)力比條件和含拉伸/壓縮過(guò)載條件下的擴(kuò)展速度，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。有限元分析表明壓縮過(guò)載后的裂尖鈍化作用是導(dǎo)致裂紋張開(kāi)應(yīng)力水平下降的原因;而裂紋張開(kāi)應(yīng)力的下降導(dǎo)致裂尖區(qū)域（包括臨界距離處）塑性耗散能密度增量的增大，最終使裂紋擴(kuò)展加速。壓縮過(guò)載越大，裂紋張開(kāi)應(yīng)力水平下降越多，裂尖區(qū)域塑性耗散能密度增量越大，裂紋擴(kuò)展加速越顯著。此外還發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展數(shù)值建模方法的臨界距離與鑄鋁合金材料的微觀組織特征和宏觀

6、力學(xué)性能相關(guān)，即臨界距離、微觀組織特征長(zhǎng)度(SDAS)以及△Kth對(duì)應(yīng)的循環(huán)塑性區(qū)尺寸等三者比較接近，處于同一數(shù)量級(jí)。
　　(3)分別建立了常幅高、低周疲勞壽命回歸模型，擬合得到了概率疲勞壽命曲線。斷口分析指出，近自由表面處的鑄造缺陷為主要裂紋萌生源，其中以氧化膜最多。裂紋萌生源大小不一是導(dǎo)致常幅高、低周疲勞壽命分散性的主要原因。裂紋萌生源大?。ǖ刃е睆剑┙品蠈?duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。裂紋源等效直徑的累積概率與疲勞壽命在任意載荷水平的

7、的累積概率具有明確的45度線性關(guān)系，即裂紋源等效直徑的累積概率與疲勞壽命的累積概率相加等于1?？紤]了試驗(yàn)本身分散性對(duì)高低周復(fù)合疲勞損傷計(jì)算精度的影響，提出并采用了概率疲勞壽命作為計(jì)算高低周復(fù)合疲勞損傷所需的常幅高、低周疲勞壽命。概率疲勞壽命由常幅載荷疲勞壽命回歸模型結(jié)合高低周復(fù)合疲勞裂紋源等效直徑的累積概率計(jì)算得到。
　　(4)提出并建立了高低周復(fù)合疲勞損傷指數(shù)衰減模型。對(duì)鑄鋁合金AS7GU-T64光滑試件開(kāi)展了高低周復(fù)合疲勞試驗(yàn)

8、。研究了各種載荷條件對(duì)復(fù)合疲勞損傷的影響，載荷條件涉及高周應(yīng)力幅值（σHa），低周相對(duì)應(yīng)力范圍(σHmin-σLmin)以及每個(gè)載荷塊的高周循環(huán)數(shù)（η）。結(jié)果表明:復(fù)合疲勞損傷隨著高周應(yīng)力幅值和低周相對(duì)應(yīng)力范圍的增大而增大。η對(duì)復(fù)合疲勞損傷的影響可分為三個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間都有明顯特征。低周循環(huán)后裂紋張開(kāi)應(yīng)力的降低及回復(fù)為高周循環(huán)復(fù)合疲勞損傷產(chǎn)生與衰減的主要原因。當(dāng)η較小時(shí)（小于約30），頻繁施加的低周循環(huán)易于促使裂尖循環(huán)塑性區(qū)內(nèi)的Si顆粒

9、提前發(fā)生損傷，從而為裂紋在高周循環(huán)期間的擴(kuò)展提供弱化的路徑，加快裂紋擴(kuò)展速度，η值越小，復(fù)合疲勞損傷量越大。在這個(gè)階段，復(fù)合疲勞損傷是裂紋張開(kāi)應(yīng)力水平降低和周期性低周循環(huán)共同作用的結(jié)果。基于以上結(jié)果，通過(guò)擬合光滑試件高低周復(fù)合疲勞試驗(yàn)結(jié)果，提出并建立了高低周復(fù)合疲勞損傷指數(shù)衰減模型，該模型能夠比較全面的描述各種載荷條件對(duì)復(fù)合疲勞損傷的影響。相比線性累積損傷模型，包含高低周復(fù)合疲勞損傷模型的累積損傷模型能夠明顯改進(jìn)高低周復(fù)合疲勞壽命的預(yù)測(cè)