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疲劳过程中热效应机理的实验研究

刘浩  
【摘要】: 能量耗散是伴随着材料疲劳损伤过程中的非平衡不可逆变化而必然产生的,在宏观上表现为热耗散。温度是研究热耗散的最重要的参量。本文概述了确定疲劳极限的理论和实验方法,介绍了疲劳中的热现象及其应用。 基于能量原理,利用红外热像仪(FLR ThermaCAM~(TM)E65)和高频疲劳试验机(PLG-100)对Q235钢和45#钢进行了疲劳试验。系统研究了疲劳过程中材料的温度变化规律,给出了温度变化与加载特征之间的关系曲线,并对温升机理进行了探讨。 疲劳极限之下的载荷引起的温度波动来源于热弹性效应,温升来源于材料的非弹、塑性效应(如黏性效应);疲劳极限之上的载荷引起塑性功累计,导致疲劳损伤产生,使得温升机制出现转折。疲劳极限之下和之上的载荷作用下温度稳定阶段的温升值与对应工作应力之间存在一定的关系,分别用两条直线拟合这一关系,两条直线的交点就是材料的疲劳极限。这种方法确定的材料的疲劳极限与传统方法确定的疲劳极限相比其误差能满足工程误差范围内的要求。文中利用该方法测定了单轴疲劳实验中Q235钢和45#钢的疲劳极限,并与相关文献介绍的估算法所得到的估算值进行了对比,误差在1.5%之内。 试验中采用了不同的加载频率,利用温度与载荷幅值之间的关系求出了两种材料的黏性系数;同时讨论了材料的塑性和黏性效应在温升机制中的不同贡献;最后经过论证,借助“温度”这一参量给出了利用塑性能耗的起点作为材料疲劳极限的新方法。 理论分析和试验结果表明,利用红外热像方法确定材料的疲劳极限具有快速、准确、便捷、经济等优点。


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