金属材料循环塑性与疲劳的初步研究

【摘要】： 本文对单晶连铸技术制成的铜单晶材料进行了拉伸和应变循环试验。观测到铜单晶在拉伸变形过程中的三个阶段，得到了循环应力应变曲线。还对试样表面滑移带的结构和分布进行了观察。 采用基于有限变形的晶体滑移本构模型，可以对单晶材料的弹性各向异性、塑性各向异性、以及材料塑性变形物理机理给予合理的描述。建立了拉伸和应变疲劳的有限元模型，使用基于晶体滑移模型的数值方法，对晶体内部滑移系的启动以及滑移系上的分解切应变、切应力这些无法试验观测的变量进行计算，分析它们对晶体塑性变形的不同影响。本文使用数值模拟的方法对[001]、[011]、[111]以及偏轴加载的多种取向试样进行了拉伸试验模拟和循环模拟，研究了不同取向的试样在加载过程中滑移系的演化情况，并对试样的宏观力学行为和细观机理进行了评述。 基于相同的方法，建立随机取向晶粒集合形成的多晶有限元模型，对多晶材料的塑性行为和循环塑性行为进行研究，结果展现了多晶材料的弹性各向同性性质和塑性变形的局部化过程。循环塑性模拟对于多晶材料的Bauschinger效应和晶粒间硬化过程以及硬化在试样上的非均匀分布给出了相应的描述。 本文对不同几何形状的裂纹在循环压缩载荷下的萌生、扩展行为进行了数值模拟分析。结果表明裂尖区域在循环压缩载荷作用下的残余拉伸应力是导致裂纹扩展的重要因素。讨论了不同裂尖几何在对裂纹描述时的合理性，并对研究内容进行了试验验证。 发动机火焰筒的热疲劳损伤是导致火焰筒失效的主要原因，本文提出了一种火焰筒热疲劳损伤假设，认为火焰筒热疲劳损伤不是由于发动机的运行和停车时冷热温度循环造成的，而是发动机启动时瞬态温度传导过程中材料循环塑性变形的结果，利用该假设结合有限元计算模拟了火焰筒产生疲劳损伤的原因。结合Coffin-Manson规律对火焰筒寿命进行了预测，与实际情况的对比说明该假设是合理的。