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铝合金高周疲劳的能量耗散模型及寿命预测

张亮  
【摘要】:疲劳性能是工程材料最重要的力学性能之一,也是进行工程结构件设计及可靠性评估的基本数据。为了获得材料的疲劳性能需要进行耗时、昂贵的疲劳试验,这不仅延长了工程结构的设计和制造周期,同时增加了成本。针对疲劳试验耗时、昂贵的特点,在分析高周疲劳过程能量耗散特点的基础上,提出了高周疲劳寿命的预测方法。 针对焊接接头组织和力学性能不均匀的特点,利用缺口疲劳试验获得了A7N01-T4铝合金焊接接头疲劳寿命的构成特点。试验结果表明,母材、焊缝和热影响区的疲劳断裂寿命差别较大,而疲劳裂纹萌生寿命差别不大,各微区疲劳裂纹萌生寿命占疲劳断裂寿命的比例不同,焊缝区内疲劳裂纹萌生阶段占据了疲劳断裂的大部分时间,疲劳裂纹萌生寿命不可忽略。 针对焊接接头微区疲劳裂纹萌生寿命占疲劳总寿命比例较高的特点,为了准确预测疲劳寿命,基于连续损伤力学,提出了一个考虑载荷频率影响的高周疲劳损伤模型。该模型考虑了应变速率对高周疲劳损伤的影响。疲劳试验结果表明,该模型适用于对疲劳载荷频率敏感和不敏感材料的疲劳寿命预测。 为了捕捉载荷频率增加引起的试件温度的变化,采用精密集成温度传感器AD592CN自行研制了一套疲劳试件温度实时测量装置,该装置配有4个AD592CN温度传感器,可以同时实现两路绝对温度和一路相对温度测量。该温度测量系统消除了测量过程中外界环境温度变化对测量结果的影响,可以对疲劳过程中试件温度的微小变化进行准确、稳定的实时测量和记录。 根据高周疲劳过程中材料温度演化曲线的特点,从宏观和微观两个尺度分析了循环加载过程中疲劳试件温度演化曲线各阶段的能量耗散特点。分析发现,疲劳过程中材料内部缺陷的运动引起了试件温度的升高。绝热条件下,温度演化曲线第一阶段的储能变化较小,机械能大部分用于试件温度的升高,从而表现出较大的温度上升速率。随着循环周次的增加,试件内位错密度随之增大,从而导致储能的增加,引起了温度演化曲线第二阶段温升速率的减小。当试件进入失稳扩展阶段,裂纹尖端的能量快速释放,引起了试件温度的再次快速上升。在对温度演化曲线分析的基础上,提出了基于能量耗散的高周疲劳寿命预测方法和模型,所提出的模型具有明确的物理意义。该模型中的唯一参数——高周疲劳断裂极限温升,是一个与材料有关的常数,表征了材料抵抗高周疲劳断裂的能力。该常数表示绝热状态下,完美晶体材料高周疲劳断裂时试件所能达到的最高温度。利用所提出的试验方法,只需数千周的加载,通过测量试件的初始温升速率即可预测材料的高周疲劳寿命。 利用自行研制的实时温度测量装置测量了A7N01-T4铝合金母材及其焊接接头试件的温度演化曲线。试验结果表明:温度上升速率随着应力幅和载荷频率的增加而增大,换热条件对温度演化曲线第二阶段的温度上升速率有较大影响。利用所得到的温度演化曲线及疲劳试验结果验证了所提出的基于能量耗散理论的高周疲劳寿命预测模型,并发现对于A7N01-T4铝合金母材及其焊接接头试件,在两种载荷频率下得到的模型参数接近,与理论分析结果吻合良好。疲劳断口分析表明,载荷频率的变化对A7N01-T4铝合金母材及其焊接接头的疲劳断裂特征没有显著影响。


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