疲劳过程中能量耗散的实验分析及其应用研究

论文摘要

疲劳损伤过程同时也是耗散能量的过程,作为最重要的能量耗散形式,热耗散的变化反映了材料从疲劳裂纹萌生、扩展到最后断裂破坏演化的过程,由热耗散引起的温度场的变化则是材料形变过程中热效应的标志和度量,因此对温度进行精确测量是研究疲劳过程能量耗散现象的实验基础。本文首先应用灵敏度和分辨率较高的红外热像仪对几种金属在疲劳过程中的温度变化进行了较精确测量,观测到它们大体都满足三阶段温度变化特点:初始温升阶段、温度稳定阶段、断裂前温度快速升高阶段,也对应力幅值变化、平均值变化等对温升变化的影响进行了试验考察。同时认为无外部热源作用时疲劳过程温度变化的影响因素主要为热弹性响应、非弹性响应和热传递,材料的塑性变形和粘弹性行为分别主导了载荷在疲劳极限上、下时的材料生热。第三章从疲劳过程能量耗散平衡的观点出发,在分析能量耗散形式及机理的基础上,建立疲劳过程能量耗散理论模型,合理简化后得到了温度变化、单位体积热能耗散率、储能率和输入功之间的理论关系。试验表明,疲劳过程温升的突变同选择载荷方式相对应的疲劳极限有关,因此根据对应的温度变化规律可快速获得疲劳极限推算值。文中应用此方法由红外热像技术测温获得了45钢、Q235钢和纯铜试样的疲劳极限,试验结果无论用单线拟合法还是双线拟合法,均与常规方法所得值相差不大,在满足精度的前提下其试验时间、成本上的效益明显。能量变化、热耗散体现了材料疲劳变化的过程特征,因此可以探索基于热耗散预测材料疲劳寿命的方法,本文导出了疲劳寿命与温度稳定状态时每循环内单位体积材料耗散的热量之间的关系,也应用在温度稳定阶段停载后的温降曲线得出了此热量值,为试验确定疲劳寿命与热耗散的定量关系提供了可能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 疲劳问题概述
• 1.1.1 疲劳断裂破坏的严重性
• 1.1.2 疲劳研究发展简史
• 1.1.3 疲劳的分类
• 1.2 本文选题背景
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 国外研究简况
• 1.3.2 国内研究简况
• 1.4 本文主要内容及意义
• 第2章 疲劳过程热效应的实验分析
• 2.1 红外热像技术与温度测量
• 2.1.1 疲劳过程中热效应的测量方法
• 2.1.2 红外热像技术的原理
• 2.1.3 红外热像技术的特点及应用
• 2.2 疲劳过程中温度变化的实验研究
• 2.2.1 疲劳过程中的温度变化规律
• 2.2.2 试验系统
• 2.2.3 疲劳过程中温度响应的试验观测
• 2.2.4 应力幅值变化对温升变化的影响
• 2.2.5 平均应力变化对温升变化的影响
• 2.3 疲劳过程温度变化的影响因素
• 2.3.1 热弹性效应
• 2.3.2 非弹性效应
• 2.3.3 热传导影响
• 2.4 小结
• 第3章 疲劳过程中的能量耗散理论模型及机理探讨
• 3.1 引言
• 3.1.1 疲劳破坏机理简述
• 3.1.2 疲劳破坏的特点
• 3.1.3 影响疲劳破坏的主要因素
• 3.2 疲劳过程中的能量耗散分析
• 3.2.1 输入功与循环滞回能
• 3.2.2 累积塑性应变能
• 3.2.3 疲劳过程能量耗散形式
• 3.3 疲劳过程能量耗散理论模型
• 3.3.1 能量耗散平衡方程的建立
• 3.3.2 问题的简化
• 3.4 疲劳过程中的生热机理探讨
• 3.4.1 材料的粘弹性行为与疲劳生热
• 3.4.2 材料的塑性变形与疲劳生热
• 3.5 小结
• 第4章 基于疲劳过程温度变化规律确定材料疲劳性能的实验研究方法
• 4.1 引言
• 4.1.1 金属材料的S? N 曲线
• 4.1.2 测定材料疲劳性能的常规实验方法
• 4.2 利用红外热像技术快速确定材料疲劳极限的实验方法
• 4.2.1 试验系统
• 4.2.2 试验现象
• 4.2.3 试验结果分析
• 4.3 基于热耗散估算材料疲劳寿命的方法探讨
• 4.3.1 理论探讨
• 4.3.2 试验系统
• 4.3.3 试验结果
• 4.4 小结
• 总结及展望
• 1. 总结
• 2. 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录