基于深度—敏感壓痕技術(shù)的疲勞裂紋尖端殘余應(yīng)力研究.pdf

1、對(duì)服役條件下重要工程結(jié)構(gòu)件進(jìn)行損傷容限分析和壽命評(píng)估時(shí)，往往涉及疲勞裂紋擴(kuò)展過程中由于載荷變化（如過載等）所導(dǎo)致的裂紋尖端殘余應(yīng)力（應(yīng)變）場(chǎng)變化，并由此引起疲勞裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)阻滯或加速效應(yīng)，從而嚴(yán)重影響材料與結(jié)構(gòu)的損傷容限行為和疲勞壽命。因此，研究含裂紋構(gòu)件在典型疲勞過載下裂紋尖端的殘余應(yīng)力分布特征與演化規(guī)律，對(duì)于深刻理解疲勞過載效應(yīng)的物理機(jī)制、發(fā)展準(zhǔn)確的隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型等具有重要的理論和工程實(shí)際意義。
　　本文首先回顧了基于深

2、度-敏感壓痕技術(shù)測(cè)試殘余應(yīng)力的主要研究進(jìn)展，并重點(diǎn)介紹了Suresh模型、Carlsson模型、Lee模型和Wang模型等殘余應(yīng)力代表性計(jì)算模型的基本原理和特點(diǎn)。
　　通過應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)拉、壓殘余應(yīng)力下的壓痕特征進(jìn)行數(shù)值模擬，本文系統(tǒng)研究了殘余應(yīng)力對(duì)壓痕響應(yīng)（F-h）曲線、壓痕接觸形貌等的影響規(guī)律，并重點(diǎn)分析了壓痕特征參量（如硬度HV、壓痕面積比c2、壓痕卸載剛度S、殘余深度與最大壓入深度之比hr/hmax和塑性功與總功之比Wp

3、/Wt等）與殘余應(yīng)力之間的相關(guān)性。研究結(jié)果表明:殘余應(yīng)力對(duì)各壓痕特征參量的影響呈現(xiàn)出顯著的非線性特征，其主要影響因素是材料的應(yīng)變硬化指數(shù)（n）和屈服應(yīng)變（σy/E）。
　　基于殘余應(yīng)力對(duì)壓痕特征參量的影響規(guī)律，本文通過對(duì)現(xiàn)階段基于壓痕計(jì)算殘余應(yīng)力的四種代表性模型（Suresh模型、Carlsson模型、Lee模型和Wang模型）進(jìn)行理論分析，提出了殘余應(yīng)力統(tǒng)一計(jì)算模型，并證明了當(dāng)前的四種代表性模型是該統(tǒng)一模型的特殊形式。結(jié)合有限元

4、數(shù)值模擬，進(jìn)一步明確了Suresh模型適于應(yīng)變硬化指數(shù)（n）和屈服應(yīng)變（σy/E）均較小的場(chǎng)合;Wang模型適用于應(yīng)變硬化指數(shù)和屈服應(yīng)變較大的材料;Lee模型更適合于計(jì)算材料特性適中的問題;而Carlsson模型與Suresh類似，適用于應(yīng)變硬化特性較小的材料，但其結(jié)果不如Suresh模型精確。
　　將深度-敏感壓痕技術(shù)率先應(yīng)用于疲勞裂紋擴(kuò)展過程中2524-T3鋁合金中心孔M(T)試樣裂紋尖端的彈塑性力學(xué)性質(zhì)研究。通過測(cè)試單峰拉、

5、壓過載前后裂尖微區(qū)的壓痕響應(yīng)曲線，并結(jié)合M.Dao算法，獲得了疲勞拉、壓過載下鋁合金裂尖微區(qū)彈塑性力學(xué)性質(zhì)（彈性模量E、屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等）的分布特征，并指出了過載后裂尖力學(xué)性能的梯度分布是裂尖材料塑性硬化、殘余應(yīng)力和損傷共同作用的結(jié)果。
　　采用本文建立的殘余應(yīng)力統(tǒng)一計(jì)算模型，系統(tǒng)研究了單峰拉伸過載和單峰壓縮過載下2524-T3鋁合金中心孔M(T)試樣的疲勞裂紋尖端微區(qū)殘余應(yīng)力分布特征，并結(jié)合試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲

6、線，進(jìn)一步分析了裂尖微區(qū)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:單峰拉伸過載后，裂尖前沿和尾跡區(qū)均形成了殘余壓應(yīng)力區(qū)，裂尖殘余壓應(yīng)力峰值及其影響范圍隨著拉伸過載比的增大而增大。裂尖前沿和尾跡區(qū)殘余壓應(yīng)力的聯(lián)合效應(yīng)導(dǎo)致了裂紋擴(kuò)展速率遞減，出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展遲滯效應(yīng)。而單峰壓縮過載后裂尖前沿形成了較大的殘余拉應(yīng)力區(qū)，由此導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)瞬時(shí)加速現(xiàn)象。此外，作者還從單峰拉、壓過載前后裂紋尖端的形貌與斷口特征變化討論了疲勞裂紋擴(kuò)展的遲滯和