基于熱力學(xué)分析的疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)研究.pdf

1、現(xiàn)代機(jī)械面對(duì)的服役環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，用戶對(duì)材料壽命的要求也不斷提高。而疲勞本身又是金屬材料失效的一個(gè)重要原因，對(duì)疲勞的研究在經(jīng)濟(jì)層面，安全層面和環(huán)境層面都有重要意義。然而疲勞問題本身的復(fù)雜性使得疲勞理論彼此較難兼容，不同的理論只能在特定范圍內(nèi)解釋有限的問題。傳統(tǒng)的研究手段也鮮有重大突破，眾多因素困擾著疲勞研究的發(fā)展。當(dāng)下迫切需要找到現(xiàn)有條件允許的研究方向和研究手段以克服疲勞復(fù)雜性對(duì)疲勞理論發(fā)展帶來的瓶頸。
　　本研究以航空制造業(yè)中常見

2、的300M鋼和LY12CZ鋁合金為對(duì)象展開疲勞研究，同時(shí)利用先進(jìn)的紅外檢測(cè)手段對(duì)疲勞過程中的溫度演化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從疲勞本身和疲勞伴生的溫度響應(yīng)入手分析，同時(shí)理論上深入到能量層面和熱力學(xué)層面探究疲勞損傷的本質(zhì)。并最終在熱力學(xué)框架下，通過熵這樣一個(gè)無序性和不可逆性指標(biāo)進(jìn)行疲勞損傷評(píng)價(jià)。很大程度上解決了疲勞復(fù)雜性問題。論文主要內(nèi)容如下：
　　1.通過疲勞溫度演化試驗(yàn)研究與現(xiàn)象分析，給出一套基于溫度演化的疲勞剩余壽命預(yù)測(cè)方法。在試驗(yàn)研究階段

3、，為了分析可能對(duì)疲勞溫度響應(yīng)和疲勞過程中熵變化造成影響的因素，用航空制造業(yè)中常見的金屬材料300M鋼和LY12CZ鋁合金制備一系列不同規(guī)格的（不同幾何尺寸、不同晶粒度等級(jí)）試件，并在測(cè)試中施加不同的軸向循環(huán)載荷（不同幅值、不同應(yīng)力比、不同加載次序的多級(jí)加載等）。為了分析了上述因素對(duì)疲勞溫度演化的影響，所有疲勞測(cè)試的溫度演化過程都由高精度紅外成像儀即時(shí)監(jiān)測(cè)。隨后對(duì)現(xiàn)有基于疲勞溫度演化的壽命預(yù)測(cè)模型難以預(yù)測(cè)加載歷史不明的受損件剩余壽命的問題

4、進(jìn)行深入研究。在疲勞溫度演化試驗(yàn)中引入激勵(lì)載荷（不同于測(cè)試載荷的循環(huán)載荷）。疲勞試驗(yàn)在不同的加載周次下被暫停，并在試件冷卻后施加短時(shí)間的激勵(lì)載荷，記錄不同受損情況下的受激溫升斜率。發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了不同循環(huán)周次時(shí)對(duì)應(yīng)的受激溫升斜率和試件此時(shí)所消耗的壽命存在線性關(guān)系，且這種關(guān)系對(duì)不同載荷幅值和晶粒度水平均適用。在此基礎(chǔ)上提出了“參考斜率曲面系”的概念。
　　2.為了揭示疲勞溫度演化的本質(zhì)，將裂紋尖端應(yīng)變場(chǎng)釋放的能量作為疲勞熱效應(yīng)的主因進(jìn)行熱

5、耗散分析，嘗試給出疲勞熱源演化規(guī)律。鑒于能量不能直接作為裂紋擴(kuò)展行為的度量，將Paris公式作為裂紋擴(kuò)展行為的描述模型以確定裂尖位置和周次的關(guān)系，從而確定特定周次下應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的位置和形態(tài)，即得到了裂尖熱源位置和功率的演化過程。模擬分析中考慮了材料的循環(huán)硬化效應(yīng)，在裂紋演進(jìn)的關(guān)鍵位置設(shè)置計(jì)算采樣點(diǎn)。將塑性應(yīng)變能和彈性應(yīng)變能的作用效果進(jìn)行了分離，發(fā)現(xiàn)滯回生熱主要導(dǎo)致試件平均溫度的上升，而彈性生熱主要導(dǎo)致平均溫度的小幅漲落。同時(shí)發(fā)現(xiàn)裂尖的塑性

6、應(yīng)變能密度會(huì)隨循環(huán)周次增加，但增加速率會(huì)由于循環(huán)硬化的產(chǎn)生而逐步降低。實(shí)際應(yīng)力越大則裂尖塑性區(qū)越大，能量釋放率越高，熱源功率越高，試件溫度響應(yīng)更劇烈。最后用分析得到的疲勞熱源數(shù)值還原了疲勞溫度演化過程。
　　3.嘗試用疲勞過程中的不可逆熵產(chǎn)描述疲勞損傷。從變形體的熵平衡方程入手分析由熱和變形導(dǎo)致的疲勞系統(tǒng)熵變化。用克勞修斯不等式將系統(tǒng)的熵產(chǎn)和熵流進(jìn)行剝離，簡(jiǎn)化疲勞過程的熵產(chǎn)分析，排除了內(nèi)部變量對(duì)熵產(chǎn)的影響。將疲勞熵產(chǎn)歸結(jié)為塑性應(yīng)變

7、能和溫度的比值。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了疲勞過程中體積熵產(chǎn)率的變化與熵產(chǎn)累積。發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)率隨載荷增大而增大，整個(gè)疲勞過程中熵產(chǎn)率基本保持恒定。整個(gè)疲勞過程的累積熵產(chǎn)最終會(huì)達(dá)到一個(gè)定值（破壞臨界值），該值被定義為“疲勞斷裂熵”，且獨(dú)立于載荷大小、載荷頻率、應(yīng)力比和試件幾何尺寸，但晶粒度會(huì)影響疲勞斷裂熵。疲勞斷裂熵不會(huì)隨著晶粒的細(xì)化而無限加大。不同載荷下的熵產(chǎn)累積之和在疲勞斷裂發(fā)生時(shí)達(dá)到疲勞斷裂熵，該規(guī)律可以用于損傷評(píng)估。
　　4.用熵流和

8、熵產(chǎn)指標(biāo)構(gòu)建損傷變量，通過連續(xù)損傷力學(xué)的損傷評(píng)估方式擴(kuò)展熵流和熵產(chǎn)的疲勞損傷評(píng)估能力。發(fā)現(xiàn)用熵流和熵產(chǎn)構(gòu)建的損傷變量能有效評(píng)估疲勞過程中的實(shí)際損傷，且損傷變量通過壽命歸一化處理即可擺脫載荷幅值、應(yīng)力比、載荷頻率、晶粒度和試件幾何尺寸對(duì)損傷評(píng)估的影響。可以通過設(shè)置損傷變量臨界值的方式預(yù)警疲勞破壞的發(fā)生。以熵產(chǎn)指標(biāo)構(gòu)造的損傷變量還能有效評(píng)估多級(jí)加載次序效應(yīng)對(duì)金屬材料帶來的影響。對(duì)二級(jí)和三級(jí)循環(huán)加載測(cè)試的分析發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)指標(biāo)構(gòu)造的損傷變量能夠有效