A7N01P-T4铝合金疲劳裂纹中高速扩展特性研究

论文摘要

A7N01P-T4铝合金是日本为高速列车开发的用于列车承载梁的铝合金材料,它具有良好的焊接性能。我国目前正在进行高速列车国产化研究,疲劳作为构件失效的主要形式引起广泛关注。因此准确描述疲劳裂纹扩展对于车体寿命预测及产品开发具有重要意义。本文以断裂力学理论为基础,对高速列车车体连接梁部分的组成材料A7N01P-T4进行断裂韧度和疲劳裂纹扩展研究。断裂韧度试验采用标准CT试样在MTS810试验机上进行。利用临界裂纹尖端张开位移换算不同板厚下断裂韧度,实验结果表明随着板厚的增加断裂韧度减小。通过断口分析推断出平面应变断裂韧度为5055 MPa·m1/2。分析了不同塑性区修正公式的特点及不足,选取考虑应变硬化的塑性区模型并对其进行修正,得出适合MT试样的塑性区修正公式。采用MATLAB软件编程计算得出塑性区尺寸大小的迭代数值解。此外,用有限元方法对塑性区进行模拟,并研究了其裂纹尖端的应力分布情况。本文给出了四种不同应力比条件下A7N01P-T4铝合金的裂纹扩展速率曲线及Paris公式拟合结果。结果表明:双对数坐标下疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值之间呈良好的线性关系。研究发现应力比对Paris公式中指数m影响较大,利用黄小平理论对不同应力比裂纹扩展速率拟合得到结果与实验结果吻合性不好。提出一个新的公式描述不同应力比下裂纹扩展速率。四种应力比疲劳试验数据与理论公式吻合得很好,试验结论和理论预测符合疲劳裂纹扩展的一般规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高速列车用铝合金
• 1.3 疲劳裂纹扩展速率研究
• 1.3.1 疲劳裂纹研究意义
• 1.3.2 疲劳设计
• 1.4 疲劳裂纹扩展特性及描述参量
• 1.4.1 裂纹扩展阶段特性
• 1.4.2 断裂韧度的研究
• 1.5 塑性区修正
• 1.6 疲劳裂纹扩展速率表达式
• 1.7 主要内容
• 第2章 A7N01P-T4 铝合金断裂韧度
• 2.1 评定相关理论基础
• 2.2 实验过程
• 2.3 实验结果处理
• 2.3.1 确定临界载荷
• 2.3.2 裂纹长度的测量
• 2.4 断口形貌分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 塑性区修正
• 3.1 不同修正模型的探讨
• 3.2 考虑应变硬化的塑性区修正
• 3.2.1 应变硬化
• 3.2.2 塑性区修正公式
• 3.2.3 塑性区的数值解析解
• 3.2.4 Matlab 编程求解
• 3.2.5 计算结果分析
• 3.3 塑性区有限元模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 裂纹扩展速率公式修正
• 4.1 实验过程
• 4.2 实验结果
• 4.3 数据处理
• 4.4 应力强度因子幅值计算
• 4.5 数据分析
• 4.5.1 塑性区影响
• 4.5.2 不同应力比裂纹扩展曲线及拟合
• 4.6 断口形貌分析
• 4.6.1 宏观形貌
• 4.6.2 微观形貌
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢