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金属材料疲劳参数的快速评估方法和断裂机理的研究

樊俊铃  
【摘要】:疲劳断裂是工程结构和机械设备中最常见的失效模式之一。由于结构在发生疲劳失效之前并没有明显的征兆,这往往会给实际生产带来灾难性的后果。因此,有必要开展对设计用材料疲劳性能的评定、结构局部应力的评估及疲劳失效宏微观机理的分析。这些研究内容有利于合理地制定周期性的维护计划,保证在役结构的可靠性和安全性,从而减少或避免疲劳失效现象的发生。 长期以来,传统疲劳实验方法在确定材料疲劳性能参数方面发挥了重大的作用。但是,传统方法实验周期长、耗费高、效率低的缺点制约了结构优化设计过程中经济效益的提高。所以,急需发展新的疲劳评估方法以满足现代化设计的高要求。疲劳过程中能量耗散的宏观表现为材料表面非均匀温度场的变化。红外热成像技术作为一种无损、实时、全场和非接触的测温手段能够实时地监测试件表面温度信号的变化规律,为疲劳研究提供了新的方法。本文基于红外热像法和能量耗散理论,研究材料和构件在疲劳损伤演化过程中表面温度信号、应力状态和固有耗散等损伤指标的变化规律,实现对材料和构件疲劳性能参数的快速预测和应力状态的评估。研究的主要目的是建立快速评估材料和构件疲劳性能参数的红外热像法定量模型,并推广热像法定量模型的应用范围;同时,研究热处理工艺与材料组织和力学性能的关系,阐述导致疲劳断裂的宏微观机理。本文的主要工作内容如下: 1、利用有限元法研究了含盲孔缺陷的构件在盲孔附近的应力集中系数随盲孔深度和直径的变化规律,以便于盲孔结构的尺寸选择和抗疲劳设计。以固有耗散和温度信号的变化规律作为损伤指标进行疲劳损伤演化状态的评估及疲劳极限的快速预测,验证了这两种损伤指标在评估疲劳损伤状态及预测构件疲劳参数时的一致性。建立了预测盲孔构件疲劳缺口系数的热像法模型,并与有限元法及热弹性应力分析法进行了比较。 2、以疲劳过程中表面温度场的演化规律定性分析了试件中疲劳微裂纹成核、萌生及扩展过程,便于结构损伤状态的分析和安全性评估。基于红外热像法和能量耗散理论,建立了快速评定材料疲劳极限、残余寿命及S-N曲线等疲劳性能参数的热像法定量模型,与传统疲劳实验结果的比较证明:热像法定量模型既能准确预测材料的疲劳参数,又能极大地缩短疲劳实验周期、降低实验成本、提高经济效益。 3、实验研究了不同热处理工艺对FV520B钢微观组织和力学性能的影响,为合理选择热处理工艺流程以获取最优的材料组织和力学性能提供了指导。基于红外热像法确定了不同FV520B钢的疲劳极限,为快速评估热处理工艺对材料疲劳性能参数的影响提供了新的思路。基于宏观温度场的演化规律分析了内部微观组织结构的不可逆损伤运动,并阐述了导致疲劳失效的微观机理。 4、在恒定高平均拉应力、变应力比的特殊工况条件下,将红外热像定量模型推广应用于研究两种不同尺寸的FV520B钢十字焊接接头的疲劳性能参数,以克服传统的焊接构件疲劳参数评定方法的局限性。通过与传统疲劳实验结果进行对比,验证了该定量模型在研究非均质焊接接头疲劳参数时的有效性。利用定量模型讨论了高平均拉应力对焊接接头疲劳性能参数的影响。分析了焊接接头疲劳断口的宏微观形貌,阐述了导致焊接接头疲劳失效的不同机理。


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