鑄鋁合金的高低周復(fù)合疲勞裂紋擴展和壽命研究.pdf

1、汽車輕量化設(shè)計已經(jīng)成為降低汽車自重、提高燃油經(jīng)濟性的重要手段。鑄鋁合金以其較高的比強度和優(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)動機部件的主要材料。汽車發(fā)動機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。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)動機部件的耐久性設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)。學術(shù)

2、界和工程界對于高低周復(fù)合載荷作用下的疲勞裂紋擴展、疲勞損傷機理及疲勞壽命預(yù)測模型的研究仍然不夠充分。本文針對Al-Si-Cu系鑄鋁合金，采用試驗研究和理論建模的手段，開展高低周復(fù)合載荷條件的裂紋擴展試驗和光滑試件疲勞壽命試驗，研究疲勞裂紋擴展規(guī)律和疲勞損傷機制，并建立了疲勞裂紋擴展數(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)對鑄鋁合金E319-T7開展了常幅載荷疲勞裂紋擴展速度曲線試驗和含拉伸或壓縮

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

4、幅載荷△K下，壓縮過載越大導(dǎo)致⊿aUL越大;而當壓縮過載相同時，⊿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展的思想，具有明確的物理意義。開發(fā)了模擬裂紋擴展的有限元模型（包括相關(guān)子程序UEL和UVARM）和計算裂紋擴展速度的MATLAB后處理程序，基于R=0.1裂紋擴展試驗曲線建立了裂紋擴展判據(jù)（即臨界距離和臨界塑性耗散

5、能密度），定量預(yù)測了裂紋在不同應(yīng)力比條件和含拉伸/壓縮過載條件下的擴展速度，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。有限元分析表明壓縮過載后的裂尖鈍化作用是導(dǎo)致裂紋張開應(yīng)力水平下降的原因;而裂紋張開應(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，最終使裂紋擴展加速。壓縮過載越大，裂紋張開應(yīng)力水平下降越多，裂尖區(qū)域塑性耗散能密度增量越大，裂紋擴展加速越顯著。此外還發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展數(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、力學性能相關(guān)，即臨界距離、微觀組織特征長度(SDAS)以及△Kth對應(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。
　　(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?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]了試驗本身分散性對高低周復(fù)合疲勞損傷計算精度的影響，提出并采用了概率疲勞壽命作為計算高低周復(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。對鑄鋁合金AS7GU-T64光滑試件開展了高低周復(fù)合疲勞試驗

8、。研究了各種載荷條件對復(fù)合疲勞損傷的影響，載荷條件涉及高周應(yīng)力幅值（σHa），低周相對應(yīng)力范圍(σHmin-σLmin)以及每個載荷塊的高周循環(huán)數(shù)（η）。結(jié)果表明:復(fù)合疲勞損傷隨著高周應(yīng)力幅值和低周相對應(yīng)力范圍的增大而增大。η對復(fù)合疲勞損傷的影響可分為三個區(qū)間，每個區(qū)間都有明顯特征。低周循環(huán)后裂紋張開應(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η較小時（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)期間的擴展提供弱化的路徑，加快裂紋擴展速度，η值越小，復(fù)合疲勞損傷量越大。在這個階段，復(fù)合疲勞損傷是裂紋張開應(yīng)力水平降低和周期性低周循環(huán)共同作用的結(jié)果?；谝陨辖Y(jié)果，通過擬合光滑試件高低周復(fù)合疲勞試驗結(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高低周復(fù)合疲勞壽命的預(yù)測