【摘要】：金屬材料在往復(fù)載荷下的疲勞是影響工程結(jié)構(gòu)服役壽命的重要因素,人們對(duì)其研究已有160年以上的歷史。經(jīng)典的疲勞壽命分析方法是建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的,在理論上和工程應(yīng)用上都需要改進(jìn)。本文探討一種新的疲勞壽命分析方法,重點(diǎn)關(guān)注金屬材料的多晶結(jié)構(gòu)和晶體變形機(jī)制導(dǎo)致的細(xì)觀變形不均勻性,研究低周往復(fù)變形下不均勻變形隨循環(huán)次數(shù)的演化導(dǎo)致的局部細(xì)觀應(yīng)變?cè)龈呒捌渑c材料疲勞破壞的關(guān)系�？紤]到材料的多晶構(gòu)成方式,采用Voronoi多晶集合體作為描述材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的代表性單元,應(yīng)用晶體塑性本構(gòu)理論對(duì)晶粒尺度下材料的循環(huán)塑性變形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在此基礎(chǔ)上研究材料細(xì)觀變形的非均勻性演化,利用對(duì)材料往復(fù)細(xì)觀變形非均勻性演化的統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)低周疲勞破壞的規(guī)律,發(fā)展了材料低周壽命預(yù)測的新方法。本文主要研究工作如下:1.通過試驗(yàn)系統(tǒng)研究了 310S不銹鋼不同溫度下的Bauschinger效應(yīng)和non Masing特性等循環(huán)塑性力學(xué)行為,獲得了大量有重要意義的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)該材料的宏觀循環(huán)塑性理論模型和晶體塑性本構(gòu)模型進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定。2.針對(duì)310S不銹鋼,采用多試樣法進(jìn)行了不同路徑下單調(diào)與循環(huán)預(yù)加載后的后繼屈服面試驗(yàn)研究,討論了塑性變形對(duì)誘導(dǎo)金屬材料各向異性硬化行為的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)后繼屈服面的形狀與預(yù)加載路徑強(qiáng)烈相關(guān),在預(yù)加載方向上后繼屈服面的形狀曲率變化較大,并且循環(huán)預(yù)加載會(huì)引起后繼屈服面在垂直預(yù)加載方向上的膨脹。這些現(xiàn)象表明,經(jīng)典塑性理論描述的后繼面與實(shí)際情形不符,需要改進(jìn)。3.采用能反映金屬材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的Voronoi多晶集合體代表性單元,通過施加周期性邊界條件并結(jié)合晶體塑性本構(gòu)模型模擬拉壓預(yù)循環(huán)后的后繼屈服面的測試試驗(yàn)。結(jié)果表明:該方法可以很好的描述多晶金屬材料的循環(huán)特性,能夠反映循環(huán)加載過程中材料細(xì)觀尺度變形的不均勻性,還能夠反映與宏觀實(shí)測一致的材料屈服特性演化及塑性變形誘導(dǎo)的各向異性硬化特征。4.采用上述模型結(jié)合晶體塑性本構(gòu)模型分別模擬310S不銹鋼3個(gè)溫度下的疲勞試驗(yàn),對(duì)代表性單元內(nèi)加載軸向應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)差、第一主應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差與第一主應(yīng)變統(tǒng)計(jì)均值等表征材料不均勻變形的參數(shù)隨循環(huán)周次的演化規(guī)律進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)它們均在數(shù)值上隨循環(huán)數(shù)增長而增長,相對(duì)于102～104的循環(huán)壽命范圍,這些參數(shù)存在有與溫度相關(guān)的臨界值,可利用臨界值來判定不同試驗(yàn)溫度下金屬低周疲勞的發(fā)生。檢驗(yàn)證實(shí),若已知材料的循環(huán)回線,采用此方法只需通過一種應(yīng)變幅值下的試驗(yàn)取得材料疲勞參數(shù)臨界值,就可用模擬計(jì)算的方法預(yù)測其它應(yīng)變幅值下材料的疲勞壽命。5.采用具有自由表面的Voronoi多晶代表性單元,對(duì)GH4169合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的晶體塑性模擬。分別用自由表面單元的加載軸向應(yīng)變統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差、第一主應(yīng)變統(tǒng)計(jì)均值和自由表面節(jié)點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差來表征表面的不均勻變形,證實(shí)它們都可用于判定金屬低周疲勞破壞的發(fā)生,預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合。
【圖文】：

材料在承受循環(huán)載荷時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出滯是重要的原因。因有這一效應(yīng)存在，材料的塑性變形，而減弱了塑性流動(dòng)相反方向的屈服應(yīng)力圖１－２應(yīng)的說明簡圖，在拉伸載荷作用下材料的初始屈服開始發(fā)生塑性變形。將載荷卸載到零，然后往壓縮性變形階段，直至壓縮加載至某一點(diǎn)處的應(yīng)力與開才會(huì)在壓縮加載方向進(jìn)入屈服階段。從圖１－２可以料在壓縮方向開始進(jìn)入屈服節(jié)點(diǎn)那一點(diǎn)的應(yīng)力明顯始屈服應(yīng)力［１４］。逡逑１邐Ｓｔ６３０－］邐３ＷＬＮ邋ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｃｔｅｃｌ邋＊邐丨＾！邋￣－

＾邐ａ邋＿邋邐邐ｇ邐＾逡逑２＾邐？逡逑圖１－１應(yīng)力－應(yīng)變滯回曲線逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐ邋ｏｆ邋ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔａｉｎ逡逑之所以金屬材料在承受循環(huán)載荷時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出滯回曲線的形態(tài)，逡逑Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效應(yīng)是重要的原因。因有這一效應(yīng)存在，材料的塑性變形使得在塑性流動(dòng)方逡逑向的屈服應(yīng)力提高，，而減弱了塑性流動(dòng)相反方向的屈服應(yīng)力圖１－２給出了循環(huán)載荷逡逑下Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效應(yīng)的說明簡圖，在拉伸載荷作用下材料的初始屈服應(yīng)力為0？0，隨著拉逡逑伸加載的繼續(xù)材料開始發(fā)生塑性變形。將載荷卸載到零，然后往壓縮方向加載，在這一逡逑過程中材料處于彈性變形階段，直至壓縮加載至某一點(diǎn)處的應(yīng)力與開始卸載點(diǎn)處的應(yīng)力逡逑差值達(dá)到２以材料才會(huì)在壓縮加載方向進(jìn)入屈服階段。從圖１－２可以看出經(jīng)過拉伸、卸逡逑載再反向加載，材料在壓縮方向開始進(jìn)入屈服節(jié)點(diǎn)那一點(diǎn)的應(yīng)力明顯低于材料在拉伸載逡逑荷作用下材料的初始屈服應(yīng)力［１４］。逡逑（Ｊ邋１１邐Ｓｔｒａｉｎ邋ｏｍｐｌｉｔｕｄｃ邋（％）逡逑－邐
【學(xué)位授予單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG14

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