【摘要】：疲勞性能是工程材料最重要的力學(xué)性能之一。然而由于材料種類的多樣性和疲勞問(wèn)題本身的復(fù)雜性,人們至今尚未完全掌握材料的疲勞破壞規(guī)律以及疲勞損傷的物理機(jī)理,這已成為制約現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的最大瓶頸之一。尤其是基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的材料疲勞性能評(píng)估,往往需要利用大量試件進(jìn)行曠日持久的疲勞破壞試驗(yàn),這不僅大幅增加了制造成本,而且極大限制了產(chǎn)品的研發(fā)速度和生產(chǎn)效率的提高。從本質(zhì)上而言,材料疲勞失效是其微觀組織結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下不斷向著斷裂方向進(jìn)行演化的結(jié)果,并且該演化過(guò)程是一個(gè)伴隨著能量耗散的不可逆熱力學(xué)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明,疲勞過(guò)程中絕大部分耗散的能量以熱能的形式被釋放,從而引起材料溫度的變化。通過(guò)對(duì)循環(huán)荷載作用下受載試件的熱力響應(yīng)進(jìn)行分析,獲取與疲勞損傷演化有關(guān)的數(shù)據(jù)信息,再結(jié)合本構(gòu)理論和數(shù)值模型,對(duì)材料的疲勞性能進(jìn)行分析和評(píng)估,并進(jìn)一步揭示疲勞損傷演化的微觀物理機(jī)理,是開(kāi)展疲勞研究的一條重要思路。正因如此,基于固有耗散的材料疲勞性能快速評(píng)估與循環(huán)荷載作用下的熱力響應(yīng)分析,已逐漸成為疲勞研究領(lǐng)域中最為活躍和最具潛力的研究方向之一。本課題研究的主要目的在于進(jìn)一步發(fā)展和完善疲勞固有耗散理論,以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值方法,并將其應(yīng)用于金屬材料的高周疲勞性能快速預(yù)測(cè)和橡膠材料的疲勞熱力響應(yīng)分析中,從而進(jìn)一步揭示兩種材料的疲勞損傷機(jī)理。本文的主要工作如下:1)建立了一套針對(duì)金屬材料高周疲勞的固有耗散測(cè)算方法。在連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)和內(nèi)變量理論的基本框架下,對(duì)材料在循環(huán)荷載作用下的熱力學(xué)狀態(tài)方程進(jìn)行了推導(dǎo)和分析,重點(diǎn)研究了疲勞自熱溫升機(jī)制,以及薄板試件在不同維度下的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。基于對(duì)試件表面溫升的一維雙指數(shù)回歸,構(gòu)建了高周疲勞固有耗散計(jì)算模型,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型的有效性和可行性進(jìn)行了分析和討論。2)提出了一種快速評(píng)估金屬材料疲勞性能的能量方法。該能量方法以固有耗散作為疲勞損傷指標(biāo);在剔除了固有耗散中由內(nèi)摩擦效應(yīng)引起的部分之后,可以得到與材料微塑性變形相關(guān)的部分;當(dāng)這部分固有耗散累積達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí),材料就發(fā)生疲勞破壞。利用該能量方法,對(duì)FV520B鋼的疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并探究了固有耗散的荷載依賴性。通過(guò)與傳統(tǒng)疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,證明該能量方法能夠達(dá)到較高的預(yù)測(cè)精度,并且可以極大地縮短疲勞實(shí)驗(yàn)周期,降低實(shí)驗(yàn)成本。3)構(gòu)建了一套金屬材料的疲勞固有耗散模型。該模型通過(guò)引入相應(yīng)的內(nèi)變量,考慮了兩類熱力學(xué)不可逆的微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式,即引起材料滯彈性的可恢復(fù)微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和引起材料疲勞損傷的不可恢復(fù)微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。利用位錯(cuò)-點(diǎn)缺陷作用模型,對(duì)疲勞過(guò)程中出現(xiàn)的各類能量耗散機(jī)制進(jìn)行了定性定量分析。另外,實(shí)驗(yàn)研究了預(yù)塑性應(yīng)變對(duì)疲勞固有耗散的影響,并提出了具有統(tǒng)一性的經(jīng)驗(yàn)公式。4)實(shí)驗(yàn)研究了炭黑填充橡膠材料在循環(huán)加載過(guò)程中的粘彈性熱力響應(yīng)及其演化情況,重點(diǎn)分析了預(yù)拉伸和炭黑填充量對(duì)疲勞應(yīng)力軟化、應(yīng)力遲滯和自熱溫升的影響。理論分析了與滯回曲線對(duì)應(yīng)的機(jī)械能耗散和與自熱溫升對(duì)應(yīng)的固有耗散之間的關(guān)系,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了聯(lián)系。通過(guò)建立橡膠鏈-炭黑簇作用模型,探究了炭黑填充橡膠材料在循環(huán)加載過(guò)程中的能量耗散機(jī)制和疲勞損傷機(jī)理。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O346.2
【圖文】：

為第＿／級(jí)應(yīng)力水平的應(yīng)力值，％為下平均壽命，／為應(yīng)力水平級(jí)數(shù)。逡逑最后，結(jié)合升降法（或單點(diǎn)法）所確定的疲勞極限，就可以繪制材料或構(gòu)件的曲逡逑線，如圖１．２，用于材料或構(gòu)建的抗疲勞設(shè)計(jì)。逡逑＾成組法數(shù)據(jù)Ｉ逡逑升降法確定的疲勞極限逡逑＼邋＾逡逑Ｎｆ邋（Ｃｙｃｌｅ）逡逑圖１．２成組法逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｇｒｏｕｐ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑－４－逡逑

邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．４循環(huán)荷載下多晶體鎳中滑移的發(fā)展［１］：邋（ａ）１０４周，（ｂ）５ｘｌ０４周，（ｃ）２７ｘｌ0４周逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｌｉｐ邋ｉｎ邋ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ邋ｎｉｃｋｅｌ邋ｕｎｄｅｒ邋ｃｙｃｌｉｃ邋ｌｏａｄｉｎｇ［１＾：邋（ａ）１０４邋ｃｙｃｌｅ，逡逑（ｂ）５邋ｘ邋１邋0４邋ｃｙｃｌｅ，（ｃ）２７ｘ邋１邋0４邋ｃｙｃｌｅ逡逑需要說(shuō)明的是，絕大多數(shù)滑移是發(fā)生于晶粒內(nèi)部的，并且深度較淺，但仍有少部分逡逑滑移可以穿過(guò)晶粒進(jìn)行，深度可以達(dá)到大于幾個(gè)微米的水平，稱為“持久滑移帶”或稱逡逑“駐留滑移帶”。這些持久滑移帶最終演化成微裂紋。因而，滑移實(shí)際上只是出現(xiàn)在局逡逑部的高應(yīng)力區(qū)域，而對(duì)于構(gòu)件上的其余大部分區(qū)域則是沒(méi)有任何滑移的。通過(guò)打磨或電逡逑解拋光等手段消除表面滑移線，可以有效抑制裂紋萌生，從而在一定程度上延長(zhǎng)構(gòu)件的逡逑服役壽命。逡逑－６－逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李源;韓旭;劉杰;姜潮;;一種基于耗散能計(jì)算的高周疲勞參數(shù)預(yù)測(cè)方法[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2013年03期

2 樊俊鈴;郭杏林;吳承偉;;疲勞特性的紅外熱像定量分析方法研究進(jìn)展[J];力學(xué)與實(shí)踐;2012年06期

3 郭杏林;王曉鋼;;疲勞熱像法研究綜述[J];力學(xué)進(jìn)展;2009年02期

本文編號(hào)：2722360