镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

基于正交设计, 分别在680℃和850℃下进行DD3镍基单晶合金薄壁圆管试样([001]取向)拉/扭非比例加载低周疲劳试验, 研究等效应变范围、应变路径角、拉/扭载荷相位角、循环特性和温度诸因素对镍基单晶合金多轴低周疲劳寿命的影响作用. 疲劳试验数据的极差分析表明, 应变路径角、拉/扭载荷相位角和等效应变范围是影响疲劳寿命的主要因素. 将菱形应变加载路径区分为比例加载段和非比例加载段, 提出了表征非比例加载效应的等效应变参量, 并通过引入单晶应变三轴性因子反映拉/扭应变路径角对多轴疲劳寿命的影响. 用考虑非比例加载效应的等效应变范围和单晶应变三轴性因子构造循环塑性应变能损伤参量, 进行多元线性回归分析, 疲劳寿命回归模型与试验寿命具有很好的相关性, 所有试验数据都落在2.0倍的偏差分布带之内.      

考虑应力集中的镍基单晶合金低周疲劳公式

对不同取向、带应力集中状态下镍基单晶合金构件的低周疲劳寿命进行了研究.在理论应力集中系数和载荷比确定的前提下,只要确定了缺口根部的剪应力范围,在不考虑分散性的情况下,缺口试棒的寿命是确定的.而此时,光滑试棒也一定存在某一个应力水平,在该应力水平下光滑试棒与缺口试棒的寿命相等;这时等寿命的光滑试棒与缺口试棒的最大剪应力范围之间存在一定的关系.根据这种关系,本文建立了剪应力范围的修正系数法,其与试验所得到的不同取向缺口试棒的低周疲劳寿命之间的最大偏差倍数为3.45,而直接采用光滑试棒剪应力范围寿命公式与实验寿命之间的最大偏差倍数为1681倍.结果表明,采用剪应力范围修正系数法预测不同取向的缺口试棒低周疲劳寿命具有较高的精度.     

镍基单晶合金非对称循环载荷低周疲劳实验研究与寿命预测

对三种不同晶体取向的DD3单晶合金试样在680℃温度下进行非对称循低周疲劳试验,表明晶体取向对疲劳寿命有显著影响.用取向函数修正总应变范围可在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响,引人参量k表示非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶合金低周疲劳寿命的主要因素,提出由总应变范围、取向函数和参量k构成循环塑性应变能的计算方法.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用DD3单晶合金低周疲劳试验数据进行验证,光滑试样和缺口试样试验数据分别落在2.6倍和2倍的偏差分布带内.     

一个修正的金属材料低周疲劳损伤模型

疲劳破坏是金属最常见的失效形式之一.基于连续损伤力学理论和能量原理,论文提出了一个修正的金属材料低周疲劳损伤演化方程,该方程综合考虑了材料的塑性强化、微裂纹闭合效应等因素对损伤累积的影响.将修正后的损伤演化方程以UMAT子程序的形式导入有限元计算软件ABAQUS之中,建立了疲劳损伤的计算模型,并以铝合金7050-T7451为例对该模型的有效性和适用性进行了验证.     

低周疲劳随机损伤过程的有限元模拟

讨论了一种低周疲劳下随机损伤演变过程 数值模拟方法，借助于Ｌｅｍａｉｔｒｅ＆Ｄｕｆａｉｌｌｙ给出的代表性体元的微观力学模型，建立了损伤与微裂纹尺寸的关系，采用随机初始损伤反映材料中固的的微缺陷，将所得模型与有限元结合对低周疲劳损伤过程进行了数值模拟。     

低周-超高周复合循环疲劳实验及寿命模型研究

复合循环疲劳是燃气轮机叶片和压力容器构件广泛存在的一种疲劳破坏形式.本文以不锈钢S310为研究材料,分别进行了低周疲劳实验、超高周疲劳实验、低周-超高周复合循环疲劳实验,并基于疲劳实验结果和损伤累积理论提出了低周-超高周复合循环疲劳寿命预测方法.通过多组数据与多个复合循环疲劳寿命预测模型的对比,发现本文所提模型在复合循...     

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.      

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳寿命模型

基于临界面法, 提出了一种能够反映非比例疲劳寿命锐减现象的多轴低周疲劳寿命模型. 与传统临界面模型只考虑附加强化效果不同, 新的模型在疲劳损伤参量中引入新定义的非比例附加损伤系数, 能综合考虑非比例加载条件下附加强化和载荷路径两种因素对疲劳寿命减少的影响, 并且分别以最大切应变和最大损伤平面作为临界面来构建疲劳损伤参量, 反映了临界面的选取对模型预测结果的重要影响. 从已发表文献中选用8 种材料的多轴疲劳试验结果进行验证, 新模型能同时适用于比例和非比例加载, 并且具有很好的寿命预测精度和材料适用性.      

镍基单晶合金蠕变变形过程的描述

基于强化相γ’的筏化－解筏和粗化的细观过程,本文推导了一组用于描述基单在合金蠕变变形过程的蠕变方程,并在９５０℃和７６０℃标定了国产ＤＤ３镍基单晶合金不同晶体取向的模型参数,与实验结果比较,所提模型可以准确地描述蠕变的主要阶段。     

高周疲劳的损伤-硬化模型

两级循环加载条件下,材料的剩余寿命强烈地依赖于加载历史。究其原因,不同加载历史将引起材料的微结构发生不同的变化,使得材料的硬化效果和变形行为表现出明显的差异,从而影响了损伤的演化过程。本文引入硬化状态变量来表征加载历史对疲劳损伤演化过程的影响。通过对两级循环加载下损伤演化规律和剩余寿命的研究,认为在两级（或多级）加载条件下,材料的损伤演化和剩余寿命强烈地依赖于加载历史造成的损伤和硬 化状态。     

疲劳损伤演化方程约束条件的探讨

本文着重讨论疲劳损伤演化方程应满足的条件,指出损伤演化方程不仅必须遵循热力学准则,还应满足一定的物理条件.如果忽略了这一点,可能导致严重的误差,并造成很大的分散性.     

各向异性材料疲劳损伤模拟

根据连续损伤理论，考虑到了损伤能释放率等引起损伤的重要因素，提出了一个各向异性疲劳损伤模型。此模型结构简单，适用于各种各向异性材料。利用该模型对玻璃聚酯复合材料层板在单向受力情况下进行了寿命预测，预测值与实验值符合较好     

多轴非比例加载低周疲劳寿命预测方法的研究

在分析多轴损伤临界面上的能量变化特性的基础上,提出一种基于临界平面方法的多轴疲劳损伤参量,该损伤参量将表征附加强化的非比例度作为摩擦系数引入其中,利用线性累计损伤准则建立了该损伤参量最大值和疲劳循环周次的关系,进而获得一种预测多轴非比例低周疲劳寿命的方法。经试验验证,结果是令人满意的。     

金属材料的非线性疲劳累积损伤模型及强度衰减分析

用连续介质损伤力学的方法推导得到了一个非线性的损伤发展方程，该方程计及了加载过程应力与损伤的完全耦合效应；又由损伤发展方程得到了一个计及加载循环周内和循环周间损伤积累非线性效应的完全非线性疲劳累积损伤模型，已有的部分非线性疲劳累积损伤模型成为它的特例。由损伤发展方程确定了材料剩余强度随损伤发展的衰减规律和临界损伤值。     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

SS304不锈钢高温非比例多轴循环变形行为的粘塑性本构描述

在350℃和700℃下SS304不锈钢的非比例多轴循环变形行为进行了系统的实验研究。在此基础上,在统一粘塑性本构理论的框架下改进和发展了一个新的循环本构模型。该模型给出了新的背应力演化方程,引入了非比例度参量,考虑了温度效应和最大塑性应变幅值记忆效应,能够对材料的高温非比例多轴应变循环变形行为和棘轮行为进行统一描述。模型的模拟结果与实验结果比较表明:该模型对SS304不锈钢高温非比例多轴循环变形行为的描述比较合理。     

TEMPERATURE EFFECT ON LOW-CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF NICKEL-BASED SINGLE CRYSTALLINE SUPERALLOY

The low-cycle fatigue （LCF） behavior of a nickel-based single crystal superalloy with [001] orientation was studied at an intermediate temperature of T0℃ and a higher temperature of To ＋ 250℃ under a constant low strain rate of 10^-3 s^-1 in ambient atmosphere. The superalloy exhibited cyclic tension-compression asymmetry which is dependent on the temperature and applied strain amplitude. Analysis on the fracture surfaces showed that the surface and subsurface casting micropores were the major crack initiation sites. Interior Ta-rich carbides were frequently observed in all specimens. Two distinct types of fracture were suggested by fractogaphy. One type was characterized by Mode-I cracking with a microscopically rough surface at To ＋ 250℃. Whereas the other type at lower temperature T0℃ favored either one or several of the octahedral {111} planes, in contrast to the normal Mode-I growth mode typically observed at low loading frequencies （several Hz）. The failure mechanisms for two cracking modes are shearing of γ＇ precipitates together with the matrix at T0℃ and cracking confined in the matrix and the γ/γ＇interface at To - 250℃.     

一种基于材料韧性耗散分析的疲劳损伤定量新方法

依据疲劳过程中结构钢力学性能的变化规律,从反映疲劳损伤机理、对损伤过程表现敏感且便于实验测试等方面对上述材料弹性、塑性、强度和韧性等参量进行综合考察后指出,韧性是一个适合作为疲劳损伤表征的力学参量,并进一步建立了韧性随疲劳损伤演化的耗散模型。从交变载荷下材料韧性耗散规律出发,结合疲劳损伤的能耗过程分析,系统研究并提出了以韧性为基本参量的疲劳损伤变量、损伤临界值、损伤演化方程和累积损伤模型,据此建立了一种新的疲劳损伤定量方法,并在实验中得到了验证。通过与其它方法比较表明：根据韧性耗散定义损伤变量优于基于延性、强度和弹性模量变化的损伤度量方法,由此得到的累积损伤模型较Ｍｉｎｅｒ线性法则与Ｍａｎｓｏｎ双线性累积损伤法则更符合实验结果。因此,上述疲劳损伤定量方法可为现阶段工程结构的抗疲劳设计与寿命估算提供新的研究手段     

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。