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《西南交通大学》 2004年
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金属材料的棘轮行为研究

刘宇杰  
【摘要】:材料在循环载荷作用下产生的塑性变形的逐渐累积现象称为棘轮效应。棘轮问题的危害性引起了国内外学者的广泛重视,其研究已经成为热点方向。现有的研究着重在描述材料应力循环下棘轮行为本构关系上开展工作,传统的棘轮模型,其建模过程多比较复杂,待定参数众多,且难以周全各种加载工况。描述材料棘轮行为的本构模型还有待进一步发展和完善。 本文开展了对304不锈钢,T225NG合金单轴棘轮的系统试验研究,重点研究了材料高温棘轮演化特性和平均应力、应力幅、加载速率、先前的应力循环历史等因素的影响,取得如下研究成果。 (1) 完成了高温下温度、平均应力、应力幅值、加载速率、先前的应力循环历史等因素对304不锈钢和T225NG钛合金单轴棘轮行为影响的系统试验研究; (2) 对304不锈钢和T225NG合金的高温试验结果分析表明,棘轮变形主要由峰值应力独立控制,先前低峰值应力加载历史、应力幅值、加载频率对饱和棘轮应变影响微弱;温度越高,材料达到棘轮饱和越快,常温下T225NG需数十万周方能达到饱和,350℃下仅需数百周即可达到棘轮饱和状态;温度对饱和棘轮应变~峰值真应力曲线的形状影响不大。棘轮循环加载前的蠕变行为仅影响T225NG的后继棘轮行为的演化,对饱和棘轮应变几乎无影响。 (3) 基于一元应力理论,分别对304不锈钢和T225NG合金建立了考虑温度效应的饱和棘轮本构模型(SRMT模型),与多个温度下的试验结果比较,SRMT模型的预测结果具有较高精度。 (4) 基于材料饱和棘轮特性,提出了通过单一试样逐级加载至棘轮饱和来确定SRMT模型中常数的单试样法。针对T225NG合金的试验现象,提出了用峰值应力微幅递增的改进单试样法来确定SRMT模型常数。改进的单试样法可缩短试验时间,还可避免循环次数过长所造成的疲劳损伤。 (5) 本文在粘塑性本构模型中引入了能记忆最大塑性应变的记忆面,对记忆面上和面内采用不同的塑性应变流动律,并将背应力演化限定于记忆面内,使记忆面上的单调拉伸响应和记忆面内的循环响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第n页 解祸,使模型参数的确定得以简化,从而提出一种新的分离型粘塑性 本构模型。应用该分离型粘塑性本构模型分别对ICrl8NigTi不锈钢和 T225NG钦合金单轴棘轮行为进行了模拟,模拟结果和试验结果符合 较好。 (6)为满足复杂加载路径试验需要,基于MTS Teststarn平台,开 发了MTSCL试验软件。MTSCL试验软件能方便的实现复杂加载路径, 具有使用简便、输入参数少、不易出错、可以预览加载波形等优点。 该软件还具有实时数据处理功能,大大简化了数据处理工作,提高了 试验效率。MTSCL软件在相关试验中得到成功应用。
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