基于能量耗散的金屬疲勞損傷表征及壽命預測.pdf

1、目前金屬疲勞中的能量耗散理論還存在諸多問題，尤其缺乏對它進行全面研究。以往限于實驗手段及理論知識，研究人員只能根據(jù)各自感興趣的問題從不同的角度開展研究，但是隨著科技的發(fā)展，各種高精度儀器的相繼出現(xiàn)，實現(xiàn)這種全面研究已有可能。在前人研究基礎上，通過研究金屬低周疲勞過程中溫度及表面微觀形貌的變化來實現(xiàn)對能量耗散問題的全面研究，進而完善低周疲勞能量耗散理論。
　　通過理論分析金屬低周疲勞過程中的能量耗散關系，發(fā)現(xiàn)材料形變過程中消耗的機械

2、功以多種能量形式耗散。其中絕大部分是以熱耗散的形式散失于環(huán)境中和以顯微結構畸變的形式貯存于材料中。通過分析熱耗散及儲能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)熱耗散的不均勻分布使材料單元間產(chǎn)生熱傳導、材料與環(huán)境間產(chǎn)生熱交換，并在材料中形成局域溫度場；儲能的變化引起材料微觀結構的變化，甚至表面微觀形貌的變化，這是與材料的損傷狀態(tài)是直接相關的。大量研究表明，溫度的變化與熱耗散的變化具有自相似性，且能夠反映材料疲勞變化的不同過程；表面微觀形貌的變化與儲能的變化是一致

3、的，它反映了材料疲勞變化的不同狀態(tài)。
　　本文通過設計和實施低周疲勞能耗試驗，采用高精度的紅外熱像儀和遠距高倍顯微鏡同步測量了LY12CZ鋁合金和T2純銅光滑試樣與缺口試樣在疲勞過程中的溫度變化、表面溫度場的分布情況與表面微觀形貌變化，研究了純銅和鋁合金在疲勞過程中熱耗散的變化規(guī)律及其與試樣表面顯微形貌的聯(lián)系。在疲勞過程中，試樣表面溫度隨應力水平的增大而增大，并且試樣表面的溫度場能反應疲勞損傷的不同階段。同時，還觀測到Lüders

4、 band在疲勞中的演化過程，它反應材料在疲勞開始階段塑性變形過程。試驗過程中發(fā)現(xiàn)溫度與儲能(表面微觀形貌)在能量的基礎上存在一定的聯(lián)系。試樣在變形的過程中，其表面溫度變化與表面微觀形貌變化存在明顯的相關性，且兩者隨著試樣形狀、加載方式的不同而出現(xiàn)不同的變化。
　　為了定量描述材料疲勞過程中的熱耗散，根據(jù)試驗分析，結合離散熱信號的MATLAB Fourier處理和相關理論得出單位體積材料單個循環(huán)的熱耗散能Q。由于忽略了一些形式的能

5、量耗散，使得鋁合金在疲勞過程中的熱耗散及塑性應變能之間的定量關系存在一些不確定性，給出的估算公式在應用上也存在局限性。
　　根據(jù)試驗分析，使用灰度直方圖和灰度共生矩陣兩種方法對表面顯微圖像進行了特征提取，對表面形貌的變化做出了定量的描述和表征。發(fā)現(xiàn)試樣在變形的過程中，表面溫度變化與表面微觀形貌變化存在明顯的相關性，反映了疲勞過程中的熱耗散和儲能的變化規(guī)律。
　　通過分析機械能耗，發(fā)現(xiàn)在低周疲勞過程中循環(huán)滯回能在循環(huán)初期變化很