【摘要】：多數(shù)工程材料的失效(如疲勞斷裂、侵蝕疲勞、磨損疲勞和腐蝕)都對(duì)材料表面的結(jié)構(gòu)和性能非常敏感。在多數(shù)情況下,失效是起始于試件的表面。因此,選擇合適的加工技術(shù)來增強(qiáng)試件表面的性能很有必要。目前,表面機(jī)械研磨技術(shù)是廣受認(rèn)可的提高材料表面性能的表面自納米化方法之一。它通過施加外加載荷反復(fù)作用于材料表面,產(chǎn)生大的塑形變形,使得材料表層粗晶顆粒細(xì)化至納米晶,從而提高材料的疲勞性能。疲勞斷裂在發(fā)生破壞時(shí)不會(huì)發(fā)生明顯的塑形變形,通常是突發(fā)性斷裂,因此具有較大的危險(xiǎn)性,常常造成嚴(yán)重事故。本文主要采用數(shù)值方法研究未經(jīng)表面納米化處理和經(jīng)過表面納米化處理后金屬分別在拉伸載荷和拉扭復(fù)合載荷作用下的疲勞行為。在拉伸載荷作用下,采用與威布爾分布相結(jié)合的3D內(nèi)聚力有限元方法來模擬粗晶和納米結(jié)構(gòu)金屬的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。三參數(shù)威布爾分布用于表征內(nèi)聚強(qiáng)度和斷裂能的空間隨機(jī)特性。由于拉伸試樣為三維實(shí)體,為了減弱尺寸效應(yīng)的影響,建立了局部蒙特卡羅模型。對(duì)于粗晶試樣,研究發(fā)現(xiàn)隨機(jī)場(chǎng)和載荷水平對(duì)裂紋路徑,端部位移和疲勞壽命有顯著影響。對(duì)于具有表面納米層的金屬試樣,疲勞壽命與納米層的厚度相關(guān);當(dāng)納米層厚度從0增加到10μm時(shí),疲勞壽命也隨之增加。在拉扭復(fù)合載荷作用下,具有不確定性特征的粗晶和納米結(jié)構(gòu)金屬的疲勞壽命和損傷演化行為通過3D內(nèi)聚力有限元方法來模擬。為了描述金屬疲勞的隨機(jī)特性,將蒙特卡羅方法與三參數(shù)威布爾統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)相結(jié)合。對(duì)于粗晶和納米結(jié)構(gòu)這兩類金屬,發(fā)現(xiàn)軸向載荷水平對(duì)試樣的扭轉(zhuǎn)振幅有很大的影響。與粗晶金屬相比,研究發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)金屬的抗疲勞性能得到了改善。這是因?yàn)樗鼈兊膿p傷萌生于納米層下面的亞表面層,然后擴(kuò)展到外表面。兩類材料的疲勞壽命和扭轉(zhuǎn)歷程的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,表明3D內(nèi)聚力有限元方法能夠有效預(yù)測(cè)這兩類金屬的損傷演化行為和疲勞壽命。本文的工作可以對(duì)未來相關(guān)金屬材料的疲勞壽命和疲勞損傷演化行為的計(jì)算研究提供一些指導(dǎo),為金屬材料的疲勞性能改善及其相關(guān)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG111.91

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊濤;表面納米化后不銹鋼的拉扭疲勞行為研究[D];天津大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：2685598