1Cr18Ni9Ti不锈钢多轴非比例棘轮行为及其影响因素研究

对１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢材料进行了两种不同加载路径的多轴非比例应力循环棘轮效应试验，研究了应力路径形状、平均应力及其历史对棘轮效应的影响，揭示了些材料多轴非比例棘轮效应的一些特征及其原因。为建立能较为精确地估计材料在多非比例应力循环下的累积变形的本构模型提供了一定的实验和理论分析的依据。     

奥氏体不锈钢高温循环棘轮行为的实验研究

对两种不锈钢材料（316L和304）进行了高温应力控制下的系统循环试验。对该类材料在应力循环下的平均应力、应力幅值及其历史对循环蠕变（棘轮效应）的影响进行了分析,同时也分析了环境温度的变化以及先前应变循环对后继应力循环的棘轮行为的影响。研究表明,两种不锈钢材料在高温非对称循环下的单轴棘轮行为基本相同,不但依赖于当前温度和加载状态,而且还依赖于先前加载历史。研究得到了不锈钢材料高温单轴循环棘轮行为的一些有意义的结果。     

循环软化45碳钢和循环硬化304不锈钢的棘轮行为实验研究

对循环软化45碳钢的单轴应力循环下的平均应力、应力幅值以及先前应变循环对棘轮效应的影响进行了实验研究;并对循环硬化的304不锈钢进行了多种非比例循环加载路径下路径形状、路径等效应力幅值、平均应变与平均应力对材料棘轮变形行为的影响实验．发现平均应力和应力幅值及其历史对于材料的棘轮行为都有很大的影响．     

棘轮行为及其本构模型和工程应用的研究进展

棘轮行为(Ratcheting)是非对称应力循环加载下材料特有的一种非弹性循环变形特征,是结构安全性和寿命评估中必须考虑的一个重要因素,近二十多年来已经引起了国内外研究者的广泛重视.本文详细评述了近几年来循环棘轮行为的实验研究、本构模拟和模型的有限元实现以及工程应用方面的研究现状,并在此基础上对今后的研究方向提出了一定的建议.     

304不锈钢室温和高温单轴循环塑性的实验研究

对304不锈钢进行了室温和高温单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。揭示和分析了循环应变幅值、平均应变及其历史和温度历史对材料应变循环特性的影响以及应力幅值、平均应力及其历史以及温度对循环棘轮行为的影响。也讨论了应变循环和应力循环间交互作用对材料循环塑性行为的影响。研究表明,无益单轴应变循环特性还是非对称单轴应力循环下的棘轮效应不仅取决于当前温度和加载状态,而且强烈依赖于其加载历史。研究得到了一些有助于304不锈钢室温和高温单轴循环行为本构描述的结果。     

非比例循环塑性内时本构关系研究

在Valanis的内时本构理论的框架中,引入内结构张量以反映由于非比例加载而引起金属材料的附加等向强化及异向强化效应,同时提出材料强化程度的度量采用沿路径法线方向的塑性应变分量来描述.这些考虑的有效性已经通过用所建模型对304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的响应进行的理论预测得到了验证;将该模型应用于U71Mn材料室温单轴棘轮行为描述中,结果显示内结构张量的引入不仅能较好地反映应变控制下的非比例附加效应,而且也能较好地反映应力控制下塑性应变的累积及变化率.     

退火和调质42CrMo合金钢单轴循环塑性行为的实验研究

在室温下对退火和调质42CrMo合金钢进行了单轴应变控制和应力控制的系统循环实验,并对它们的应变循环和应力循环特性进行比较.揭示和分析了应变幅值、平均应变及其历史对材料应变循环特性的影响以及应力幅值、平均应力及其历史对棘轮行为的影响.讨论了应变循环和应力循环间的交互作用以及不同热处理工艺下材料循环变形行为间的区别.研究发现材料的热处理工艺、平均应力和应力幅值及其历史对材料的棘轮行为都有很大的影响.得到了一些有助于进行合理本构描述的结果.     

316L不锈钢随动强化模型改进研究

本文对316L不锈钢进行了单轴与多轴非比例路径下的应力控制棘轮试验,考察了应力幅值、平均应力和加载历程对棘轮特性的影响。同时进行了应变控制循环试验以研究材料的应力松弛特性。试验结果表明轴向棘轮效应在对称剪切荷载下效果明显,同时棘轮应变随应力幅值和平均应力的增加而增加。研究了Chen-Jiao随动强化模型与Jiang-Sehitoglu随动强化模型采用的单轴与多轴参数对背应力分量增量方向的影响,将Chen-Jiao模型中的多轴系数替换为界面饱和率,并在此基础上引入新的参数对塑性模量系数进行修正,计算结果表明修正后的模型能提升应力控制下多轴棘轮的预测精度,并能很好的预测应力松弛现象,表明了新模型的正确性与有效性。     

调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其耦合损伤粘塑性本构模型

对调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用的实验结果进行了分析,揭示了材料在非对称应力循环下的全寿命棘轮变形特征和低周疲劳损伤演化特性.在统一粘塑性循环本构模型框架下,基于连续损伤力学理论,提出一个耦合损伤的牯塑性本构模型.该模型中将损伤分为宏观弹性损伤和塑性损伤两部分,并采用不同的损伤演化方程来描述这两类损伤.针对材料不同的失效模式,分别采用损伤变量门槛值和最大应变作为失效判据.将模型应用于调质42CrMo钢单轴应力循环下全寿命棘轮行为的描述和低周疲劳寿命预测中,模拟结果和实验结果吻合较好.     

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棘轮是一种常见的机械机构,它的部件由刚体组成,目的是实现部件的单向运动,图1所示的棘轮机构可以保证齿轮只能沿逆时针方向旋转,它是构成棘轮扳手的主要部件.我国东汉时期已有不同形状和用途的齿轮和齿轮系,其中包括各种棘轮,被使用在天文仪器中.     

An experimental study on the ratcheting behavior of pure aluminium under uniaxial cyclic stressing

An experimental study was carried out for the cyclic properties of pure aluminium subjected to uniaxial cyclic straining and stressing. For a material of pure aluminium the effects of the cyclic strain amplitude history and mean strain on the cyclic deformation behavior were investigated, and the influences of stress amplitude, mean stress and their histories on cyclic creep (i. e., ratcheting) were analyzed. It is shown that either uniaxial cyclic property under cyclic straining or ratcheting behavior under asymmetric uniaxial loading depends not only on the current loading, but also on the previous loading history. Some significant results were obtained.Financial support from NFSC is acknowledged.     

ADVANCES IN TRANSFORMATION RATCHETING AND RATCHETING-FATIGUE INTERACTION OF NITI SHAPE MEMORY ALLOY

The accumulation of inelastic deformation occurring in NiTi shape memory alloy under the stress-controlled cyclic loading condition is named transformation ratcheting, since it is mainly caused by the solid-solid transformation from austenite to martensite phase and vice versa. The transformation ratcheting and its effect on the fatigue life (i.e., transformation-fatigue interaction) are key issues that should be addressed in order to assess the fatigue of NiTi shape memory alloy more accurately. In this paper, the advances in the studies on the transformation ratcheting and ratcheting-fatigue interaction of super-elastic NiTi shape memory alloy in recent years are reviewed: First, experimental observation of the uniaxial transformation ratcheting and ratcheting-fatigue interaction of super-elastic NiTi alloy under the stress-controlled cyclic loading conditions is treated, and the detrimental effect of transformation ratcheting on the fatigue life is addressed; Secondly, two types of cyclic constitutive models (i.e., a macroscopic phenomenological model and a micromechanical one based on crystal plasticity) constructed to describe the transformation ratcheting of super-elastic NiTi alloy are discussed; Furthermore, an energy-based failure model is provided and dealt with by comparing its predicted fatigue lives with experimental ones; Finally, some suggestions about future work are made.     

Uniaxial and non-proportionally multiaxial ratcheting of SS304 stainless steel at room temperature: experiments and simulations

The uniaxial and non-proportionally multiaxial ratcheting behaviors of SS304 stainless steel at room temperature were initially researched by experiment and then were theoretically described by a cyclic constitutive model in the framework of unified visco-plasticity. The effects of cyclic stress amplitude, mean stress, and their histories on the ratcheting were experimentally investigated under uniaxial and different multiaxial loading paths. The shapes of non-proportional loading paths were linear, circular, elliptical and rhombic, respectively. In the constitutive model, the rate-dependent behavior of the material was reflected by a viscous term; the cyclic flow and cyclic hardening behaviors of the material under asymmetrical stress-controlled cycling were reflected by the evolution rules of kinematic hardening back stress and isotropic deforming resistance, respectively. The effect of loading history on the ratcheting was also considered by introducing two fading memorization functions for maximum inelastic strain amplitude and isotropic deformation resistance, respectively, into the constitutive model. The effect of multiaxial loading path on the ratcheting was reflected by a non-proportional factor defined in this work. The predicting ability of the developed model was proved to be good by comparing the simulations with corresponding experiments.     

内压循环下薄壁圆筒的环向棘轮应变预测

对单轴和比例加载下的棘轮应变进行预测目前仍有较大困难。本文考虑将移动极限面加入材料双面本构模型中，对原提出的叠加型随动强化律进行了修正，可以对较多循环数的1Crl8Ni9Ti不锈钢薄壁圆管的环向棘轮应变做出预测。     

内压圆筒斜接管结构的棘轮效应分析

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置, 采用电阻应变法, 在多轴疲劳实验机上对循环弯曲载荷作用下的20$^{\#}$钢内压圆筒斜接管结构进行了棘轮效应试验, 发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变, 且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向. 对于所研究的实验结构, 最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧. 采用阶梯加载的方法确定了各考察点的棘轮边界. 选取4种典型的随动强化模型, 借助ANSYS软件的二次开发对面内循环弯矩作用下内压斜接管结构的棘轮效应进行数值模拟, 发现Ohno-Wang模型及基于Ohno-Wang模型的改进模型对棘轮应变的预测较为准确. 采用MJS(modifed Jiang-Sehitoglu)模型按等效塑性应变增量控制法得到了与实验结果基本吻合的各考察点的棘轮边界, 并根据最大棘轮应变点的数据确定了结构的棘轮边界, 可用于该结构的塑性安定性评价.      

304不锈钢室温单轴循环棘轮行为的粘塑性本构描述

在统一粘塑性循环本构模型的框架下对循环硬化的304不锈钢的单轴棘轮行为进行了本构描述。模型中通过随动硬化背应力演化和各向同性变形阻力演化对304不锈钢在非对称应力循环下的循环附加硬化和循环流动特性进行了分析，同时考虑了加载历史对循环棘轮行为的影响。将模型应用于304不锈钢室温单轴循环棘轮行为及其对加载历史依赖性的描述中，预言结果与实验结果吻合较好。