铝合金高周疲劳的能量耗散模型及寿命预测

论文摘要

疲劳性能是工程材料最重要的力学性能之一，也是进行工程结构件设计及可靠性评估的基本数据。为了获得材料的疲劳性能需要进行耗时、昂贵的疲劳试验，这不仅延长了工程结构的设计和制造周期，同时增加了成本。针对疲劳试验耗时、昂贵的特点，在分析高周疲劳过程能量耗散特点的基础上，提出了高周疲劳寿命的预测方法。针对焊接接头组织和力学性能不均匀的特点，利用缺口疲劳试验获得了A7N01-T4铝合金焊接接头疲劳寿命的构成特点。试验结果表明，母材、焊缝和热影响区的疲劳断裂寿命差别较大，而疲劳裂纹萌生寿命差别不大，各微区疲劳裂纹萌生寿命占疲劳断裂寿命的比例不同，焊缝区内疲劳裂纹萌生阶段占据了疲劳断裂的大部分时间，疲劳裂纹萌生寿命不可忽略。针对焊接接头微区疲劳裂纹萌生寿命占疲劳总寿命比例较高的特点，为了准确预测疲劳寿命，基于连续损伤力学，提出了一个考虑载荷频率影响的高周疲劳损伤模型。该模型考虑了应变速率对高周疲劳损伤的影响。疲劳试验结果表明，该模型适用于对疲劳载荷频率敏感和不敏感材料的疲劳寿命预测。为了捕捉载荷频率增加引起的试件温度的变化，采用精密集成温度传感器AD592CN自行研制了一套疲劳试件温度实时测量装置，该装置配有4个AD592CN温度传感器，可以同时实现两路绝对温度和一路相对温度测量。该温度测量系统消除了测量过程中外界环境温度变化对测量结果的影响，可以对疲劳过程中试件温度的微小变化进行准确、稳定的实时测量和记录。根据高周疲劳过程中材料温度演化曲线的特点，从宏观和微观两个尺度分析了循环加载过程中疲劳试件温度演化曲线各阶段的能量耗散特点。分析发现，疲劳过程中材料内部缺陷的运动引起了试件温度的升高。绝热条件下，温度演化曲线第一阶段的储能变化较小，机械能大部分用于试件温度的升高，从而表现出较大的温度上升速率。随着循环周次的增加，试件内位错密度随之增大，从而导致储能的增加，引起了温度演化曲线第二阶段温升速率的减小。当试件进入失稳扩展阶段，裂纹尖端的能量快速释放，引起了试件温度的再次快速上升。在对温度演化曲线分析的基础上，提出了基于能量耗散的高周疲劳寿命预测方法和模型，所提出的模型具有明确的物理意义。该模型中的唯一参数——高周疲劳断裂极限温升，是一个与材料有关的常数，表征了材料抵抗高周疲劳断裂的能力。该常数表示绝热状态下，完美晶体材料高周疲劳断裂时试件所能达到的最高温度。利用所提出的试验方法，只需数千周的加载，通过测量试件的初始温升速率即可预测材料的高周疲劳寿命。利用自行研制的实时温度测量装置测量了A7N01-T4铝合金母材及其焊接接头试件的温度演化曲线。试验结果表明：温度上升速率随着应力幅和载荷频率的增加而增大，换热条件对温度演化曲线第二阶段的温度上升速率有较大影响。利用所得到的温度演化曲线及疲劳试验结果验证了所提出的基于能量耗散理论的高周疲劳寿命预测模型，并发现对于A7N01-T4铝合金母材及其焊接接头试件，在两种载荷频率下得到的模型参数接近，与理论分析结果吻合良好。疲劳断口分析表明，载荷频率的变化对A7N01-T4铝合金母材及其焊接接头的疲劳断裂特征没有显著影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 疲劳的分类
• 1.3 疲劳断裂的物理过程
• 1.3.1 疲劳裂纹萌生过程
• 1.3.2 疲劳裂纹扩展过程
• 1.4 循环载荷频率对疲劳寿命的影响
• 1.5 疲劳寿命的预测方法
• 1.5.1 应力-寿命法
• 1.5.2 应变-寿命法
• 1.5.3 断裂力学方法
• 1.5.4 损伤力学方法
• 1.6 疲劳过程中试件的温度演化
• 1.6.1 疲劳温度演化的测量方法
• 1.6.2 利用疲劳温度演化曲线预测疲劳性能
• 1.7 本文的主要研究内容
• 第2章 焊接接头的缺口疲劳试验
• 2.1 引言
• 2.2 材料和试验方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 金相组织观察
• 2.2.3 微区力学性能测试
• 2.2.4 疲劳试验
• 2.2.5 能谱及疲劳断口分析
• 2.3 焊接接头微区的组织和力学性能
• 2.3.1 焊接接头微区的组织分析
• 2.3.2 焊接接头显微硬度试验结果
• 2.3.3 焊接接头微区的拉伸试验结果
• 2.4 缺口疲劳试验结果分析
• 2.4.1 焊接接头微区的疲劳裂纹萌生寿命
• 2.4.2 焊接接头微区的疲劳裂纹萌生机制
• 2.5 本章小结
• 第3章 考虑频率效应的高周疲劳损伤模型
• 3.1 引言
• 3.2 损伤力学的基本理论
• 3.2.1 损伤的描述
• 3.2.2 有效应力与应变等价原理
• 3.2.3 连续介质力学基础
• 3.2.4 内变量理论
• 3.2.5 不可逆热力学基础
• 3.3 考虑频率效应的高周疲劳损伤模型
• 3.3.1 状态势
• 3.3.2 耗散势
• 3.3.3 高周疲劳损伤模型
• 3.4 参数的识别
• 3.4.1 频率不敏感型材料
• 3.4.2 频率敏感型材料
• 3.5 本章小结
• 第4章 疲劳试件温度测量系统的研制
• 4.1 引言
• 4.2 温度传感器的选择
• 4.2.1 现有测量方法的缺陷
• 4.2.2 AD592 的原理
• 4.2.3 AD592 的性能特点
• 4.3 温度测量系统的总体设计
• 4.4 温度测量部分的设计
• 4.4.1 传感器的固定及校准
• 4.4.2 绝对温度测量部分
• 4.4.3 相对温度测量部分
• 4.5 温度采集部分的设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 高周疲劳过程中能量耗散的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 高周疲劳过程中的能量耗散分析
• 5.2.1 机械能耗
• 5.2.2 热耗散
• 5.2.3 内能的变化
• 5.3 高周疲劳过程中试件的温度演化
• 5.4 高周疲劳过程中各阶段的能量耗散特点
• 5.4.1 温度演化第一阶段特点
• 5.4.2 温度演化第二阶段特点
• 5.4.3 温度演化第三阶段特点
• 5.5 基于能量耗散的疲劳寿命预测模型
• 5.5.1 疲劳寿命预测模型的提出
• 5.5.2 模型中参数的物理意义
• 5.6 判断频率对疲劳寿命影响的能量耗散准则
• 5.7 本章小结
• 第6章 高周疲劳能量耗散的试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料及试验方案
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验方案
• 6.3 铝合金高周疲劳的温度演化曲线
• 6.3.1 温度演化曲线特征
• 6.3.2 应力幅值的影响
• 6.3.3 换热条件的影响
• 6.3.4 载荷频率的影响
• 6.4 疲劳寿命预测模型的验证
• 6.4.1 循环加载初期的温度上升速率与寿命预测
• 6.4.2 高周疲劳的循环滞后回线
• 6.5 疲劳断口微观形貌分析
• 6.5.1 A7N01-T4 母材疲劳断口分析
• 6.5.2 A7N01-T4 焊接接头疲劳断口分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历