镁合金低周疲劳寿命预测模型探讨

通过铸造镁合金AZ91D和变形镁合金AZ31B室温环境下应力控制的低周疲劳试验,采用Basquin模型、SWT模型、应变能-寿命模型等模型进行了镁合金低周疲劳的寿命预测。在此基础上,基于连续介质损伤力学的不可逆热力学理论,将镁合金的低周疲劳损伤视为一个不可逆的耗散过程,用熵来反映系统的耗散过程,并以每一次循环的平均应变增量来反映平均应力对材料的影响,提出了一种新的镁合金低周疲劳寿命预测模型。用该模型进行了镁合金的低周疲劳寿命预测,预测结果与实测结果符合较好,同时相比上述其他模型,该模型具有较好的预测效果。     

钛合金TC4低周疲劳连续损伤力学研究

基于Lemaitre损伤理论,利用改进的损伤演化模型和损伤解耦简化分析方法,对钛合金材料TC4(Ti6Al4A)进行等幅低周疲劳损伤演化的理论分析和试验研究.试验结果表明,TC4材料的明显循环软化阶段和宏观裂纹扩展阶段较短,在两者之间的稳定损伤演化阶段,随循环次数的增加,应力幅平稳、缓慢地降低,下降幅度不很大,该阶段构成低周疲劳寿命的主要部分;在典型低周疲劳阶段TC4材料损伤抗力较强,疲劳破坏对于连续损伤比较敏感.用简化的损伤力学分析方法,计算试件和元件的低周疲劳损伤和寿命,验证方法的有效性.所建议的方法比较简单,可用于具有类似疲劳破坏特点的材料与构件的损伤演化分析和寿命预测.     

一种基于连续损伤力学的低周疲劳寿命预测模型

基于连续介质基本守恒定律和连续损伤力学,可将材料疲劳损伤造成的有效承载面积减小表示为平均应变的函数,在此基础上,按微裂纹阶段和疲劳裂纹阶段对材料低周疲劳的损伤演化进行了分析,并建立了一种低周疲劳寿命预测模型。对316L钢光滑试样进行420℃环境下应力控制的低周疲劳试验,采用上述方法进行损伤描述和寿命预测。结果表明微裂纹阶段是材料低周疲劳寿命消耗的主要阶段,采用各寿命段采样数据获得的寿命预测结果与试验结果较 符合。     

低周疲劳过程损伤变量的复合分析法和三阶段损伤演化模型

采用疲劳损伤力学的方法分析Ni Cr Mo V钢核电汽轮机低压焊接转子1︰1模拟件接头低周疲劳过程,针对损伤变量表征方法中的弹性模量法和应力幅值法应用的局限性,并考虑循环前期循环软化造成的材料的损伤,提出适用于循环软化材料的低周疲劳全过程损伤变量表征的复合分析法,提高了疲劳过程各阶段材料损伤测量的准确性;提出低周疲劳损伤过程的三阶段损伤模型,将焊接接头的疲劳损伤过程分为应力松弛、微空洞和微裂纹的萌生和扩展以及宏观裂纹的萌生和扩展三个阶段,并用于分析焊接接头的低周疲劳损伤过程。试验结果表明,在Ni Cr Mo V钢汽轮机低压焊接转子接头的低周疲劳损伤过程分析中,采用复合分析法表征损伤变量较弹性模量法和应力幅值法更为合理,且三阶段疲劳损伤模型能很好地反映疲劳损伤过程。     

基于改进GTN损伤模型的镁合金镦粗成形损伤及裂纹预测研究

镁合金在成形过程中极易产生开裂，精准的损伤预测可以为塑性成形工艺提供理论支撑。为此，基于含连续介质剪切损伤因子的Gurson-Tvergarrd-Needleman(GTN)损伤模型被应用于预测镁合金成形时的损伤演化，通过压缩试样的力-位移曲线标定了AZ31B镁合金的流动应力和剪切损伤参数，预测并验证了AZ31B镁合金在镦粗工艺下的表面损伤及开裂，扩展了模型对低应力三轴度下的成形工艺损伤预测的适用性。在此基础上，对AZ31B镁合金在受压条件下损伤成因、裂纹扩展进行了分析。结果表明，随着压缩位移的增加，镁合金侧面中心区域的切应力不断增加，在此作用下基体内部孔洞沿非垂直压缩方向伸长、聚合，最终形成宏观裂纹；镦粗后的试样侧面裂纹走向与垂直压缩方向所成角度范围为34°～46°，改进的GTN模型模拟结果为44°～54°，原始GTN模型模拟结果均呈90°；改进后的GTN模型可应用于预测镁合金在轧制、热冲压等工艺下的损伤演化行为，为后续工艺优化奠定基础。     

复合材料疲劳损伤演化的两阶段模型

针对复合材料疲劳损伤的特征,将损伤过程分为减速损伤和加速损伤两个阶段;基于连续介质损伤力学的概念,建立了疲劳损伤演化两阶段模型。并用此模型描述了ＳｉｌｉｃｏｎｅＸ２３８、Ｃｈｌｏｒｏｐｒｅｎｅ、Ｎｏｒｙｌ ＧＴＸ８３０等复合材料的疲劳损伤。结果表明,提出的两阶段模型与试验结果吻合较好。     

镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化和寿命预测

将弹性模量、等效模量、总应变能密度及平均应变的变化作为损伤变量,对镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化进行分析,建立了相应的寿命预测模型。结果表明：选取总应变能密度或平均应变的变化作为损伤变量可以描述镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化,相应的寿命预测模型预测效果较好;选取平均应变的变化作为损伤变量所得损伤曲线具有更好的代表性。     

非线性超声检测镁合金疲劳的仿真和试验

为了利用非线性超声检测AZ31镁合金的早期疲劳损伤,通过现有的本构关系建立了非线性超声检测有限元模型,计算了材料疲劳引起的内部微缺陷长度、数量和宽度变化对非线性超声系数的影响.计算结果表明,材料疲劳产生的微缺陷是产生二次谐波的原因,有限元方法可以有效模拟镁合金材料的超声非线性效应.进行了两个镁合金疲劳试件的非线性超声在线检测试验,研究发现,在镁合金疲劳早期,超声非线性系数随疲劳加载周数单调增加,但在疲劳后期出现了超声非线性系数减小的现象.试验结果表明,超声非线性系数对疲劳早期损伤非常敏感,可以用来表征材料的早期疲劳损伤程度,有限元计算结果与试验结果相吻合.     

基于红外热成像的镁合金疲劳裂纹扩展的研究

采用红外热成像技术监测疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况,对AZ31B镁合金板材室温下的疲劳裂纹扩展特征进行研究。分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,探索镁合金材料疲劳裂纹扩展的规律。试验结果表明,疲劳裂纹扩展过程中,镁合金表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。三组试件最高温升值分别为A试件10.89℃、B试件15.19℃、C试件12.37℃。裂纹尖端及其附近组织观察发现,裂纹尖端发生转向,裂纹总体为穿晶断裂,并伴随少量沿晶断裂,在裂纹附近区域有少量塑性变形。疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关,该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。     

考虑分级加载的连续非线性Chaboche-Paris全寿命模型

结构疲劳全寿命可分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段,裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的预测通常分开进行,很少有理论能将两者合二为一。结合CHABOCHE提出的非线性损伤理论,对Paris公式进行修正,将其扩展至全寿命阶段;建立损伤累积与裂纹长度关系模型,分析分级加载对损伤累积的影响。计算结果表明,提出的Chaboche-Paris全寿命模型对无初始裂纹结构的寿命预测结果与其S-N疲劳试验数据结果一致,对具有宏观可见裂纹结构的寿命预测结果与Paris公式计算结果一致,验证提出的全寿命模型在全寿命预测和裂纹扩展寿命预测两个阶段的可用性和正确性;分级加载时,Chaboche-Paris模型可以体现出加载顺序对疲劳损伤累积的影响,当外载为低-高加载时,循环比之和大于1,当外载为高-低加载时,循环比之和小于1,与试验结果吻合。     

含冲击凹坑缺陷的ZM6材料疲劳试验与寿命预估方法研究

制备了ZM6镁合金材料的光滑试样、缺口试样以及含冲击凹坑缺陷的试验件,并对这些试验件进行了疲劳试验测试,获得了含冲击缺陷时不同应力水平下试验件的疲劳寿命.基于连续损伤力学理论,在高周疲劳损伤演化模型的基础上,提出了一种新的多轴疲劳的损伤演化模型,用于描述凹坑局部材料的疲劳损伤.采用Abaqus软件对凹坑缺陷的形成过程进行模拟,得到了凹坑缺陷的几何形状和局部的残余应力应变场.通过Abaqus子程序Usdfld将材料本构和损伤演化进行耦合,从而实现含凹坑缺陷结构件疲劳寿命的计算.结果 显示,预测的中值寿命结果与试验中值寿命结果一致,误差在两倍误差带内,符合工程使用的要求.     

基于短裂纹特性的疲劳损伤参数

通过对中碳钢光滑试样的疲劳实验,研究了疲劳过程中短裂纹的扩展和演化行为,分析了基于短裂纹群体行为的疲劳损伤参数来描述疲劳损伤的有效性。通过研究裂纹总数和裂纹总长这两个参数在疲劳损伤过程中的动态变化,对基于短裂纹群体行为的疲劳损伤检测方法进行了评价。     

基于损伤力学预估切口构件裂纹形成寿命

构件的疲劳寿命包括裂纹形成和扩展两个阶段,断裂力学估算裂纹扩展寿命已经相当成熟,但其无法估算裂纹形成寿命,因此基于损伤力学理论建立的疲劳损伤模型被用来预估裂纹形成寿命,且取得很好的效果。文中基于疲劳损伤模型预估缺口试件的裂纹形成寿命,利用封闭解的方法给出了切口构件在拉压载荷下的损伤演化方程,同时计算了不同应力集中系数下切口试件裂纹形成寿命,经试验验证,该方法预估的寿命与试验寿命基本吻合且偏于安全。     

两级载荷作用下疲劳损伤状态的试验研究

以按高－低和低－高顺序作用的两级循环载荷下的疲劳损伤累积试验为基础，详细考察与分析了疲劳损伤的演化规律及状态特征，指出了目前常用的各种累积损伤模型的缺陷，提出了应用对其应用范围进行严格限制的建议。     

一种考虑材料损伤的低循环疲劳寿命预测方法

为了更加精确地预测材料的低循环疲劳寿命,对三参数幂函数公式和拉伸滞后能寿命模型进行研究,提出了基于三参数幂函数的损伤能寿命预测模型。分别利用该模型和Manson-Coffin公式对高温合金、钛合金及结构钢等多种材料的低周疲劳试验数据进行拟合并将其分析结果进行对比;根据GH4133合金250℃时的低循环疲劳试验数据,建立了该条件下材料的循环应力-应变曲线和损伤能寿命预测模型,同时对曲线及模型进行验证。结果表明:建立的循环应力-应变曲线能够正确反映该条件下材料的应力与应变之间的关系;所提出的损伤能寿命预测模型对12种材料的低周疲劳试验数据的拟合效果较好,寿命预测精度明显高于Manson-Coffin公式。     

基于固有频率变化的两焊点接头的疲劳损伤参量

使用有限元软件ABAQUS分析两焊点拉剪试样在疲劳裂纹扩展过程中的动态响应,研究固有频率随裂纹面积的变化.将裂纹截面积作为损伤面积,确定损伤与固有频率变化率的关系.利用损伤力学中损伤随寿命的演化规律,对疲劳损伤达到一定程度的试样进行疲劳寿命预测.结果表明,此损伤参量能较好地描述双焊点结构的疲劳破坏过程.     

非线性超声检测镁合金早期疲劳的试验研究

为利用基于二次谐波的非线性超声方法检测镁合金材料的早期疲劳损伤,建立超声非线性系数β的测试试验系统,设计制作预设应力集中区的厚板镁合金疲劳试件,并通过有限元法仿真应力集中区的有效性.对三个不同疲劳加载模式的镁合金试件进行非线性超声检测试验研究.结果表明,在疲劳寿命的早期,三个试件的超声非线性系数均随疲劳周数明显增加.同时,测量其中一个试件在非应力集中区的超声非线性系数,与应力集中区相比,超声非线性系数变化幅度只有应力集中区的27％,进一步表明超声非线性系数的变化来源于镁合金材料疲劳引起的微缺陷变化,也证实试验的可靠性.另外,波速和弹性常数的试验结果表明,这两个线性参数对于镁合金材料的早期疲劳损伤不如超声非线性系数敏感.     

304不锈钢两阶段载荷模式下的疲劳寿命

对304不锈钢进行一系列单轴、扭转、比例和非比例循环载荷变化的两阶段低周疲劳实验,比较各阶段载荷下的循环特性.结果表明在第一阶段载荷下,材料在开始几个循环表现出软化特性,在路径转化时有交错强化现象,而在圆路径下产生明显的附加强化.试验结果表明,这种强化对疲劳寿命有明显影响,使两段载荷的总疲劳损伤小于1.文中比较了线性损伤律和几个非线性损伤律(Manson的双线性损伤律、损伤曲线方法、Morrow模型)的寿命预测结果,表明对寿命的预测各模型都给出了不安全的结果.     

AZ31B镁合金在高周疲劳过程中的加工硬化/软化行为及温度变化

使用红外热像仪测试AZ31B镁合金在疲劳和拉伸过程中的温度变化,并对疲劳后的AZ31B镁合金试样进行拉伸试验,研究了疲劳过程中该合金的加工硬化/软化行为。结果表明:当疲劳时的最大应力高于其疲劳强度时,AZ31B镁合金在疲劳过程中的温度变化可依次分为初始升温阶段、温度下降阶段、温度稳定阶段、快速升温阶段和断裂后自然降温阶段;随循环次数增加,试样交替发生加工硬化和软化,导致疲劳后试样的抗拉强度呈先增后降再增的变化趋势;由于疲劳时不同应力水平引起了不同程度的加工硬化,使得疲劳后试样的抗拉强度随疲劳时最大应力的增大而增大。     

一种新的低周疲劳损伤累积模型及试验验证

基于连续介质损伤力学理论,依据疲劳损伤的加载参数与损伤变量之间的不可分割性等特点,建立了一种新的低周疲劳损伤累积模型。经过对00Cr17Ni14Mo2钢和2.25Cr1Mo钢的低周疲劳试验数据的分析,得到了相应的疲劳损伤累积模型。将该模型与不同的损伤累积模型相比较,结果表明：该累积模型的计算结果与试验结果能更好地一致,能更真实地反映损伤的非线性累积过程。该累积模型考虑了损伤和应变的耦合作用以及平均应力、疲劳极限对其的影响,且物理意义明确,具有一定的实用价值。