鋁合金高周疲勞的能量耗散模型及壽命預(yù)測.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、疲勞性能是工程材料最重要的力學性能之一,也是進行工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計及可靠性評估的基本數(shù)據(jù)。為了獲得材料的疲勞性能需要進行耗時、昂貴的疲勞試驗,這不僅延長了工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造周期,同時增加了成本。針對疲勞試驗耗時、昂貴的特點,在分析高周疲勞過程能量耗散特點的基礎(chǔ)上,提出了高周疲勞壽命的預(yù)測方法。
  針對焊接接頭組織和力學性能不均勻的特點,利用缺口疲勞試驗獲得了A7N01-T4鋁合金焊接接頭疲勞壽命的構(gòu)成特點。試驗結(jié)果表明,母材、焊縫

2、和熱影響區(qū)的疲勞斷裂壽命差別較大,而疲勞裂紋萌生壽命差別不大,各微區(qū)疲勞裂紋萌生壽命占疲勞斷裂壽命的比例不同,焊縫區(qū)內(nèi)疲勞裂紋萌生階段占據(jù)了疲勞斷裂的大部分時間,疲勞裂紋萌生壽命不可忽略。
  針對焊接接頭微區(qū)疲勞裂紋萌生壽命占疲勞總壽命比例較高的特點,為了準確預(yù)測疲勞壽命,基于連續(xù)損傷力學,提出了一個考慮載荷頻率影響的高周疲勞損傷模型。該模型考慮了應(yīng)變速率對高周疲勞損傷的影響。疲勞試驗結(jié)果表明,該模型適用于對疲勞載荷頻率敏感和不

3、敏感材料的疲勞壽命預(yù)測。
  為了捕捉載荷頻率增加引起的試件溫度的變化,采用精密集成溫度傳感器AD592CN自行研制了一套疲勞試件溫度實時測量裝置,該裝置配有4個AD592CN溫度傳感器,可以同時實現(xiàn)兩路絕對溫度和一路相對溫度測量。該溫度測量系統(tǒng)消除了測量過程中外界環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響,可以對疲勞過程中試件溫度的微小變化進行準確、穩(wěn)定的實時測量和記錄。
  根據(jù)高周疲勞過程中材料溫度演化曲線的特點,從宏觀和微觀兩個尺

4、度分析了循環(huán)加載過程中疲勞試件溫度演化曲線各階段的能量耗散特點。分析發(fā)現(xiàn),疲勞過程中材料內(nèi)部缺陷的運動引起了試件溫度的升高。絕熱條件下,溫度演化曲線第一階段的儲能變化較小,機械能大部分用于試件溫度的升高,從而表現(xiàn)出較大的溫度上升速率。隨著循環(huán)周次的增加,試件內(nèi)位錯密度隨之增大,從而導致儲能的增加,引起了溫度演化曲線第二階段溫升速率的減小。當試件進入失穩(wěn)擴展階段,裂紋尖端的能量快速釋放,引起了試件溫度的再次快速上升。在對溫度演化曲線分析的

5、基礎(chǔ)上,提出了基于能量耗散的高周疲勞壽命預(yù)測方法和模型,所提出的模型具有明確的物理意義。該模型中的唯一參數(shù)——高周疲勞斷裂極限溫升,是一個與材料有關(guān)的常數(shù),表征了材料抵抗高周疲勞斷裂的能力。該常數(shù)表示絕熱狀態(tài)下,完美晶體材料高周疲勞斷裂時試件所能達到的最高溫度。利用所提出的試驗方法,只需數(shù)千周的加載,通過測量試件的初始溫升速率即可預(yù)測材料的高周疲勞壽命。
  利用自行研制的實時溫度測量裝置測量了A7N01-T4鋁合金母材及其焊接接

6、頭試件的溫度演化曲線。試驗結(jié)果表明:溫度上升速率隨著應(yīng)力幅和載荷頻率的增加而增大,換熱條件對溫度演化曲線第二階段的溫度上升速率有較大影響。利用所得到的溫度演化曲線及疲勞試驗結(jié)果驗證了所提出的基于能量耗散理論的高周疲勞壽命預(yù)測模型,并發(fā)現(xiàn)對于A7N01-T4鋁合金母材及其焊接接頭試件,在兩種載荷頻率下得到的模型參數(shù)接近,與理論分析結(jié)果吻合良好。疲勞斷口分析表明,載荷頻率的變化對A7N01-T4鋁合金母材及其焊接接頭的疲勞斷裂特征沒有顯著影

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