Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。     

地震频率对Q235钢结构材料超低周疲劳行为的影响

研究了两种地震极限频率对于Q235钢结构材料的超低周疲劳性能的影响。采用横向应变控制方法,分别保持频率1Hz、3Hz恒定,在岛津电液伺服疲劳试验机上开展了试验钢的超低周疲劳试验。研究发现,循环应力响应特征,循环应力-应变关系,以及疲劳寿命均与频率相关,且在较高频率下,试验材料出现了二次循环硬化现象。分别建立了试验钢在两种频率下基于塑性应变幅值及应变速率的疲劳寿命预测公式。两种寿命预测公式均与试验结果吻合良好。通过电镜扫描(SEM),对比分析了不同频率下试验钢超低周疲劳下的微观断裂机理。     

基于体积法的缺口件多轴疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo钢不同缺口半径下的多轴疲劳试验结果进行模拟计算,采用体积法进行疲劳寿命预测,并与等效应变法的预测结果进行了对比。模拟结果表明,各路径下缺口根部应力集中程度随缺口半径减小而更为明显,最大应力集中程度达3.45。等效应变法给出的疲劳寿命预测结果随着缺口半径的减小而偏于保守,保守量高达90倍。为克服等效应变法给出的偏于保守的结果,基于剪应力随距缺口根部距离的变化趋势进行有效距离的计算,采用体积法进行寿命预测,94.1%的预测结果位于2倍分散带内。     

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.     

裂纹闭合和循环塑性预应变及循环载荷压缩部分对裂纹扩展速率的影响

本文针对三种国产材料 Ｌｙ１１ｃｚ、 Ｌｙ１２ｃｚ 铝合金和 １８ Ｍｎ Ｈ Ｐ钢,通过实验初步考察了循环塑性预应变和循环载荷压缩部分对疲劳裂纹扩展的影响;采用电测法,测定了两种铝合金材料疲劳裂纹扩展的张开应力和有效应力强度因子幅值比 Ｕ。结果表明：（１）材料循环塑性预应变和循环载荷压缩部分,都使疲劳裂纹扩展速率提高;（２）常幅载荷下,在疲劳裂纹稳定扩展阶段,有效应力强度因子幅值比 Ｕ 与应力比 Ｒ 有关,与裂纹长度ａ 无关,并依赖于材料的力学性能。     

纯铝在单轴应力循环作用下棘轮行为的试验研究

对纯铝进行了单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。对纯铝应变循环下的循环应变幅值、应变幅值历史、平均应变对循环特性的影响进行了揭示，对纯铝在非对称应力循环下的应力幅值、平均应力及其历史对循环蠕变〈即棘轮〉的影响进行了分析，得到了纯铝单轴循环行为的一些有意义的结果。     

关于多轴疲劳寿命临界面法影响因素的分析与计算

本文以拉-扭非比例加载下的薄壁圆管试件为研究对象,以最大法向应变的最大剪应变平面为临界面,并对此临界面上的应变状态进行了分析。采用统一型疲劳寿命预测模型,以正火45钢为例,研究了非比例加载时相位差对疲劳寿命的影响,进而对不同正应变幅和应变幅值比加载下的危险相位差的变化规律进行了计算分析。结果发现:应变幅值比对疲劳寿命最短时的危险相位差的影响呈先上升后下降的趋势;并给出了不同应变幅值比时危险相位差的计算通式,式中的系数可通过材料力学性能与单轴疲劳参数计算得到。最后给出了15种材料的系数供实际应用时参考。     

NiTi合金力学和阻尼性质研究及伪弹性退化分析

试验考察了NiTi合金在不同应变幅值循环载荷作用下的力学特性和阻尼性能,并引入了残余内应力分析伪弹性退化机理。用马氏体相变开始应力、残余应变等参数表征NiTi合金伪弹性特征,用等效阻尼比表征NiTi合金的阻尼性能。试验结果分析表明:应变幅值增加会加快NiTi合金伪弹性随循环次数的退化;当应变幅值处于马氏体相变开始和结束应变之间时,不同应变幅值下NiTi合金的马氏体相变平台随循环次数增加同步降低,且当NiTi合金在相变中段卸载时其阻尼性能最好;结合残余内应力与残余应变正相关线性关系可分析NiTi合金伪弹性退化内在机理。该研究可为循环载荷下NiTi合金伪弹性行为的准确描述提供依据,并可为NiTi合金阻尼器的设计提供参考。     

16MnR钢循环蠕变-疲劳交互作用损伤力学模型

应力控制模式下出现的循环蠕变现象,将和疲劳一起加速材料的损伤.在进行损伤评估的时候,需兼顾循环蠕变和疲劳的影响.在循环蠕变本构模型、延性耗散理论的基础上,建立循环蠕变疲劳交互作用损伤力学模型.进行16 MnR钢420℃下应力控制的脉动循环试验,选取一种新的损伤参量“等效模量”来描述循环蠕变和疲劳的综合作用,得到16 MnR钢420℃脉动循环时循环蠕变疲劳交互作用下的损伤演化估算表达式和寿命预测方法.通过试验验证,寿命预测结果与试验结果吻合较好.     

低碳钢经拉压循环后的剩余强度、延性与表面损伤

对0.5%恒应变幅下事先经历了不同次数疲劳循环的Q235钢圆棒试样进行单轴拉破坏试验,观察到与未经疲劳循环试样相同的杯锥形断口;延伸率和断面收缩率随循环次数增加有所下降,但剩余强度反而提高。经历循环数N/Nf达到一定数值后,试样拉伸颈缩段表面出现表面损伤导致的分布裂隙。经历循环数愈多,裂隙愈密集,而未经疲劳循环试样则没有这样的裂隙。将试样进行表层磨削和抛光,再进行单轴拉断,颈缩区域表层分布裂隙不再出现,但延伸率和收缩率并不因此有明显改变。本文研究表明:Q235钢疲劳循环试样的表层疲劳损伤甚于内部疲劳损伤,其疲劳损伤不适合用剩余强度来描述,但可用经拉伸后出现于颈缩部位的表面裂隙来表征。     

对称拉压循环对HRB400E钢弹塑性行为影响的试验研究

对HRB400E钢在单向拉伸、拉压循环和循环后拉伸载荷作用下的力学行为进行了试验研究,采用0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%八种对称应变幅对HRB400E薄壁圆管试件施加100周次拉压循环载荷,循环后施加单轴拉伸载荷直至试件断裂。试验数据分析表明,循环加载过程中HRB400E钢前10周应力应变曲线曲率明显变小,峰值应力明显下降,呈现循环软化特性,随着应变循环幅值的增大,循环滞回曲线稳定所需循环周次逐渐减小。HRB400E钢在不同应变幅循环后的拉伸弹性模量均出现下降,下降幅度约为3%～8%,屈服应力会随着预循环应变幅的增大而增大,随着预循环应变幅增大材料的硬化效应有所减弱。与单轴拉伸相比,循环后拉伸的强度极限和断裂应变无明显变化,塑性变形能力没有明显下降,破坏为典型的塑性剪切断裂模式,薄壁圆管试件断口中的断裂纤维区和剪切唇区位于接近管壁处,断面径向中部的断裂扩展区中,在大韧窝周围存在多个较小韧窝。     

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。     

基于裂纹扩展的疲劳-蠕变寿命预测

为了提高疲劳-蠕变寿命的预测精度,首次从裂纹扩展角度出发引入有效应变能密度增量,利用应力-应变迟滞回线所围图形的正值面积对其进行了定义和计算。计算表明,有效应变能密度增量与加载的应力、速率、保载时间、材料性质及疲劳-蠕变的速率相关,且随压应力增加而增大。通过将有效应变能密度增量与裂纹的长度之积定义为裂纹扩展的控制参量,建立了疲劳-蠕变下的裂纹扩展速率方程,并由此导出了疲劳-蠕变寿命与有效应变能密度增量之间的关系式。该式中的疲劳与蠕变有效应变能密度增量交叉项恰好反映了疲劳与蠕变的交互作用。最后,采用该式对1.25Cr0.5Mo钢在540℃时不同应力控制下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,发现83.3%的预测值在实验值的1.3倍分散带以内,预测结果良好。     

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

开展激光修复镍基合金的疲劳试验，对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中，试件产生局部损伤，会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征，是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发，本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统，并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件，在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统，实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量，得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场；根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法，并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明，在疲劳过程中，试件残余应变场内存在应变集中现象，应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加，试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域，因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.     

40钢非比例循环塑性行为研究

对４０钢在拉扭循环复杂应变路径下的硬化特性和流动特性进行了实验研究。研究表明：４０钢材料的循环硬／软化不但依赖于应变路径形状，而且依赖于等效应变幅值，还具有路径历史效应；材料的塑性流动几乎不受先前路径历史的影响，仅依赖于当前应变路径形状和等效奕变幅值。     

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。     

压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展试验研究

针对压力容器几何结构不连续高应变区断裂和疲劳破坏特点,本文通过对应变循环条件下疲劳裂纹扩展影响因素和控制参量的理论分析,提出将△J作为应变循环条件下疲劳裂纹扩展速率的控制参量,并在EPRI弹塑性断裂分析工程方法基础上,提出了△J的工程计算方法,并通过模拟应变疲劳裂纹扩展的SCT试样试验,验证了△J工程计算方法的可靠性,根据SCT试样应变疲劳裂纹扩展试验研究结果,在考虑了压力容器高应变区几何形状和材质变化对应变疲劳裂纹扩展参量影响后,提出了一种压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展速率工程估算方法。     

高温合金材料循环相关热机械疲劳寿命预测

在变温非线性运动强化规律所描述的高温合金材料热机械寿命应力－应变循环特性的基础上，讨论了应变控制的循环相关热机械疲劳寿命预测技术，所建模型采用了由应变以密度表示的损伤参数，并且引入了温度损伤系数，考虑了温度变化范围以及温度循环和应变循环相位关系对疲劳寿命的影响，在确定模型的一些参数，采用等温力学试验和疲劳试验的数据，为了把等温疲劳研究成果推广到变温疲劳分析领域，开辟了新的途径。     

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。