【摘要】：疲勞性能是工程材料最重要的力學(xué)性能之一。然而由于材料種類的多樣性和疲勞問題本身的復(fù)雜性,人們至今尚未完全掌握材料的疲勞破壞規(guī)律以及疲勞損傷的物理機理,這已成為制約現(xiàn)代工業(yè)進一步發(fā)展的最大瓶頸之一。尤其是基于傳統(tǒng)實驗方法的材料疲勞性能評估,往往需要利用大量試件進行曠日持久的疲勞破壞試驗,這不僅大幅增加了制造成本,而且極大限制了產(chǎn)品的研發(fā)速度和生產(chǎn)效率的提高。從本質(zhì)上而言,材料疲勞失效是其微觀組織結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下不斷向著斷裂方向進行演化的結(jié)果,并且該演化過程是一個伴隨著能量耗散的不可逆熱力學(xué)過程。實驗表明,疲勞過程中絕大部分耗散的能量以熱能的形式被釋放,從而引起材料溫度的變化。通過對循環(huán)荷載作用下受載試件的熱力響應(yīng)進行分析,獲取與疲勞損傷演化有關(guān)的數(shù)據(jù)信息,再結(jié)合本構(gòu)理論和數(shù)值模型,對材料的疲勞性能進行分析和評估,并進一步揭示疲勞損傷演化的微觀物理機理,是開展疲勞研究的一條重要思路。正因如此,基于固有耗散的材料疲勞性能快速評估與循環(huán)荷載作用下的熱力響應(yīng)分析,已逐漸成為疲勞研究領(lǐng)域中最為活躍和最具潛力的研究方向之一。本課題研究的主要目的在于進一步發(fā)展和完善疲勞固有耗散理論,以及相關(guān)的實驗技術(shù)和數(shù)值方法,并將其應(yīng)用于金屬材料的高周疲勞性能快速預(yù)測和橡膠材料的疲勞熱力響應(yīng)分析中,從而進一步揭示兩種材料的疲勞損傷機理。本文的主要工作如下:1)建立了一套針對金屬材料高周疲勞的固有耗散測算方法。在連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)和內(nèi)變量理論的基本框架下,對材料在循環(huán)荷載作用下的熱力學(xué)狀態(tài)方程進行了推導(dǎo)和分析,重點研究了疲勞自熱溫升機制,以及薄板試件在不同維度下的熱傳導(dǎo)問題�；趯υ嚰砻鏈厣囊痪S雙指數(shù)回歸,構(gòu)建了高周疲勞固有耗散計算模型,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對計算模型的有效性和可行性進行了分析和討論。2)提出了一種快速評估金屬材料疲勞性能的能量方法。該能量方法以固有耗散作為疲勞損傷指標(biāo);在剔除了固有耗散中由內(nèi)摩擦效應(yīng)引起的部分之后,可以得到與材料微塑性變形相關(guān)的部分;當(dāng)這部分固有耗散累積達到一個臨界值時,材料就發(fā)生疲勞破壞。利用該能量方法,對FV520B鋼的疲勞性能進行了實驗研究,并探究了固有耗散的荷載依賴性。通過與傳統(tǒng)疲勞實驗數(shù)據(jù)進行對比分析,證明該能量方法能夠達到較高的預(yù)測精度,并且可以極大地縮短疲勞實驗周期,降低實驗成本。3)構(gòu)建了一套金屬材料的疲勞固有耗散模型。該模型通過引入相應(yīng)的內(nèi)變量,考慮了兩類熱力學(xué)不可逆的微結(jié)構(gòu)運動方式,即引起材料滯彈性的可恢復(fù)微結(jié)構(gòu)運動和引起材料疲勞損傷的不可恢復(fù)微結(jié)構(gòu)運動。利用位錯-點缺陷作用模型,對疲勞過程中出現(xiàn)的各類能量耗散機制進行了定性定量分析。另外,實驗研究了預(yù)塑性應(yīng)變對疲勞固有耗散的影響,并提出了具有統(tǒng)一性的經(jīng)驗公式。4)實驗研究了炭黑填充橡膠材料在循環(huán)加載過程中的粘彈性熱力響應(yīng)及其演化情況,重點分析了預(yù)拉伸和炭黑填充量對疲勞應(yīng)力軟化、應(yīng)力遲滯和自熱溫升的影響。理論分析了與滯回曲線對應(yīng)的機械能耗散和與自熱溫升對應(yīng)的固有耗散之間的關(guān)系,并與實驗結(jié)果進行了聯(lián)系。通過建立橡膠鏈-炭黑簇作用模型,探究了炭黑填充橡膠材料在循環(huán)加載過程中的能量耗散機制和疲勞損傷機理。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O346.2
【圖文】：

為第＿／級應(yīng)力水平的應(yīng)力值，％為下平均壽命，／為應(yīng)力水平級數(shù)。逡逑最后，結(jié)合升降法（或單點法）所確定的疲勞極限，就可以繪制材料或構(gòu)件的曲逡逑線，如圖１．２，用于材料或構(gòu)建的抗疲勞設(shè)計。逡逑＾成組法數(shù)據(jù)Ｉ逡逑升降法確定的疲勞極限逡逑＼邋＾逡逑Ｎｆ邋（Ｃｙｃｌｅ）逡逑圖１．２成組法逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｇｒｏｕｐ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑－４－逡逑

邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．４循環(huán)荷載下多晶體鎳中滑移的發(fā)展［１］：邋（ａ）１０４周，（ｂ）５ｘｌ０４周，（ｃ）２７ｘｌ0４周逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｌｉｐ邋ｉｎ邋ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ邋ｎｉｃｋｅｌ邋ｕｎｄｅｒ邋ｃｙｃｌｉｃ邋ｌｏａｄｉｎｇ［１＾：邋（ａ）１０４邋ｃｙｃｌｅ，逡逑（ｂ）５邋ｘ邋１邋0４邋ｃｙｃｌｅ，（ｃ）２７ｘ邋１邋0４邋ｃｙｃｌｅ逡逑需要說明的是，絕大多數(shù)滑移是發(fā)生于晶粒內(nèi)部的，并且深度較淺，但仍有少部分逡逑滑移可以穿過晶粒進行，深度可以達到大于幾個微米的水平，稱為“持久滑移帶”或稱逡逑“駐留滑移帶”。這些持久滑移帶最終演化成微裂紋。因而，滑移實際上只是出現(xiàn)在局逡逑部的高應(yīng)力區(qū)域，而對于構(gòu)件上的其余大部分區(qū)域則是沒有任何滑移的。通過打磨或電逡逑解拋光等手段消除表面滑移線，可以有效抑制裂紋萌生，從而在一定程度上延長構(gòu)件的逡逑服役壽命。逡逑－６－逡逑

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李源;韓旭;劉杰;姜潮;;一種基于耗散能計算的高周疲勞參數(shù)預(yù)測方法[J];力學(xué)學(xué)報;2013年03期

2 樊俊鈴;郭杏林;吳承偉;;疲勞特性的紅外熱像定量分析方法研究進展[J];力學(xué)與實踐;2012年06期

3 郭杏林;王曉鋼;;疲勞熱像法研究綜述[J];力學(xué)進展;2009年02期

本文編號：2722360