金屬材料多軸棘輪-疲勞交互作用的實驗與理論研究.pdf

1、材料和構件的疲勞破壞問題一直是國內外學者和工程界研究和關心的熱點課題。航空航天、核工業(yè)、化工以及鐵路機車車輛中許多金屬構件在復雜加載條件下服役的，要對這些結構構件的可靠性、安全性和疲勞壽命進行合理的評估，必須要得到能夠精確描述復雜加載條件下材料變形行為的本構方程與描述材料衰壞過程的損傷演化方程以及相應的失效準則。復雜加載條件下材料的本構行為描述和疲勞失效準則的研究一直是固體力學界的研究重點、難點與熱點之一。近二十年來，國內外學者對材料的

2、循環(huán)變形行為進行了大量的研究，并已建立了一些循環(huán)塑性和粘塑性本構模型，但對于非對稱應力控制循環(huán)中產生的棘輪行為（塑性應變的循環(huán)累積）的本構描述尚不盡完善。對于材料的低周疲勞行為，目前絕大多數(shù)的研究都是針對應變控制循環(huán)加載工況，對于應力控制循環(huán)加載下的低周疲勞研究較少。特別是在有平均應力的應力循環(huán)下，材料將產生逐漸增長的棘輪變形，這種情況下，估算材料的疲勞壽命，必須同時考慮棘輪行為和疲勞損傷及它們之間的相互作用。因此，有必要對應力控制循環(huán)

3、下的棘輪-疲勞交互作用做更加深入的研究，并發(fā)展非比例多軸應力復雜加載條件下的考慮棘輪效應的疲勞失效模型。這對于固體力學學科及其相關學科具有重要的理論意義，對工程構件更可靠的設計和使用也具有重要的應用價值。 為了對金屬材料的非比例多軸棘輪-疲勞交互作用行為進行深入系統(tǒng)的實驗和理論研究，本論文開展了如下工作： 1．在室溫下，對三類材料（循環(huán)硬化材料304不銹鋼；循環(huán)軟化材料調質42CrMo鋼；循環(huán)穩(wěn)定的退火42CrMo鋼）室

4、溫單軸和非比例多軸應力循環(huán)加載條件下的棘輪變形、疲勞失效行為及損傷演化規(guī)律進行系統(tǒng)的實驗研究。通過研究，得到了材料棘輪-疲勞交互作用行為的基本特性，為耦合損傷循環(huán)本構模型以及考慮棘輪效應的低周疲勞失效模型的理論研究奠定了基礎。 2．在連續(xù)介質損傷力學和統(tǒng)一粘塑性循環(huán)本構的框架下，提出了一個新的耦合損傷的粘塑性本構模型，對調質42CrMo鋼的全壽命棘輪行為進行了描述，并結合所選用的失效判據(jù)，對材料在應力循環(huán)下的疲勞壽命進行了預測。

5、該模型在粘塑性本構模型中引入了疲勞損傷，將損傷分為宏觀彈性損傷和塑性損傷兩部分，并采用不同的損傷演化方程來描述這兩類損傷。針對材料不同的失效模式，分別采用損傷變量門檻值和最大應變作為失效判據(jù)。模型的模擬結果表明，發(fā)展的耦合損傷本構模型合理地描述了調質42CrMo鋼單軸和多軸全壽命棘輪行為，并較準確地預測了相應的疲勞壽命。 3．根據(jù)材料不同的特性，以系統(tǒng)的實驗研究為基礎，建立了考慮棘輪效應的簡化疲勞失效模型。這些模型以應力作為基本