基于能量耗散理论的纯铜T2的低周疲劳寿命预测

论文摘要

目前的疲劳能量耗散理论还存在诸多问题,尤其缺乏对它进行全面研究。以往限于实验手段及理论知识,研究人员只能根据各自感兴趣的问题从不同的角度开展研究,但是随着科技的发展,各种高精度仪器的相继出现,实现这种全面研究已有可能。作者在前人的基础上,对疲劳耗散过程本身和疲劳耗散能量的计算给出了个人的观点。作者分析了纯铜疲劳过程中的能量耗散过程,发现材料形变过程中消耗的机械功以多种能量形式耗散。其中绝大部分是以热耗散的形式散失于环境中和以显微结构畸变的形式贮存于材料中。通过分析热耗散及储能的变化规律,发现热耗散的不均匀分布使材料单元间产生热传导、材料与环境间产生热交换,并在材料中形成局域温度场；储能的变化引起材料微观结构的变化,甚至表面微观形貌的变化,这是与材料的损伤状态是直接相关的。大量研究表明,温度的变化与热耗散的变化具有自相似性,且能够反映材料疲劳变化的不同过程；表面微观形貌的变化与储能的变化是一致的,它反映了材料疲劳变化的不同状态。本文介绍了疲劳过程中机械能耗的测试方法和结果。采用高精度的红外热像仪和远距高倍显微镜同步测量了光滑纯铜试样与缺口纯铜试样在疲劳过程中的温度变化与表面微观形貌变化。实验过程中发现温度与储能(表面微观形貌)在能量的基础上存在一定的联系。试样在变形的过程中,其表面温度变化与表面微观形貌变化存在明显的相关性。作者根据试验分析,发现循环滞回能在循环初期变化很大,随后逐渐减小趋于稳定,在疲劳破坏发生前的最后阶段又迅速衰减。并且根据热传导的傅立叶定律、对流换热微分方程及能量耗散控制方程,推导出温度与疲劳寿命之间的关系。限于时间及试验手段,作者并没有得出温度与储能的关系。为此,作者希望通过下一步的深入研究,进一步解决目前存在的问题,完善疲劳能量耗散理论。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 疲劳能量理论的发展历史及研究现状
• 1.2.1 疲劳能量理论研究
• 1.2.2 疲劳能量耗散理论中能量的分布
• 1.2.3 能耗机理研究
• 1.2.4 疲劳寿命预测能量方法研究
• 1.2.5 疲劳过程中的热耗散及温度场研究
• 1.3 本文研究背景及研究内容
• 第2章 疲劳损伤过程中的能量耗散
• 2.1 引言
• 2.2 金属疲劳过程中的能量耗散状况
• 2.3 疲劳损伤过程中的能耗控制方程
• 2.3.1 能量分布方程
• 2.3.2 热传导方程
• 2.3.3 热传导方程的边界条件
• 2.3.4 控制方程
• 2.4 疲劳过程中热耗散的微观原因
• 2.4.1 费米能
• 2.4.2 疲劳过程中热耗散的微观原因
• 2.5 小结
• 第3章 低周疲劳能量耗散试验分析
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法简介
• 3.2.1 红外测温原理
• 3.2.2 红外热像技术在疲劳方面的应用
• 3.2.3 试验方案设计及参数选择
• 3.3 纯铜低周等幅疲劳试验
• 3.3.1 循环迟滞回线
• 3.3.2 循环硬化/软化现象与循环滞回能
• 3.3.4 累积塑性应变能
• 3.4 循环加载过程中温场和表面显微形貌的变化
• 3.4.1 光滑试样疲劳过程中温度和温场的变化
• 3.4.2 光滑试样疲劳过程中表观显微形貌的变化
• 3.4.3 缺口试样疲劳过程中温度和温场的变化
• 3.4.4 缺口试样疲劳过程中表面显微形貌的变化
• 3.4.5 试样形状对瞬断时试样表面温场的影响
• 3.5 小结
• 第4章 基于能量耗散理论的低周疲劳寿命预测
• 4.1 引言
• 4.2 低周疲劳过程的能量耗散规律
• 4.2.1 低周疲劳过程中循环滞回能和累积塑性应变能的规律研究
• 4.2.2 低周疲劳过程中试样温度演变规律
• 4.3 低周疲劳寿命预测能量模型
• 4.3.1 目前研究的低周疲劳寿命预测能量模型
• 4.3.2 本文中应用的与热耗散过程有关的数学方程的推导
• 4.3.3 相关资料和实验数据
• 4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢