高溫疲勞短裂紋微觀機(jī)理及數(shù)值模擬研究.pdf

1、工程中很多金屬構(gòu)件工作在高溫下并承受著交變載荷，容易產(chǎn)生高溫疲勞斷裂。隨著冶煉和金屬探傷技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)際構(gòu)件存在長(zhǎng)裂紋的機(jī)會(huì)不大，且大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明構(gòu)件的疲勞壽命絕大部分都消耗在微觀短裂紋階段(MSC)，這就使得對(duì)于高溫疲勞短裂紋方向的研究變的尤為重要。短裂紋行為與長(zhǎng)裂紋行為有很大不同，其萌生、擴(kuò)展等行為受到微觀組織結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈作用，諸如晶粒大小、晶粒取向、晶界分布、及材料成分等都影響著短裂紋的行為，使之與長(zhǎng)裂紋相比有更大的隨機(jī)性。加之高

2、溫帶來的表面氧化及晶界滑動(dòng)作用，更使得高溫疲勞短裂紋行為的微觀機(jī)理變的復(fù)雜有待深入研究。相比于晦澀的數(shù)學(xué)模型，物理模型能夠更直觀的反映問題，特別是當(dāng)研究對(duì)象具有較大隨機(jī)性時(shí)其優(yōu)勢(shì)就更加明顯了。因此建立物理模型，進(jìn)行數(shù)值模擬是揭示高溫疲勞短裂紋行為微觀損傷機(jī)理，并實(shí)現(xiàn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的重要研究手段。以往數(shù)值模擬對(duì)于微觀組織結(jié)構(gòu)的考慮不夠全面有較大的局限性，有必要對(duì)模擬的方法進(jìn)行進(jìn)一步的探索。
　　本文采用部分腐蝕的20＃鋼試件進(jìn)行大量高

3、溫低周疲勞試驗(yàn)，觀察不同試驗(yàn)條件下試件表面微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋行為的影響，統(tǒng)計(jì)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了高溫下疲勞短裂紋的物理模型。基于模型，采用Matlab軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)短裂紋行為的數(shù)值模擬。具體工作如下:
　　1、進(jìn)行大量高溫低周疲勞試驗(yàn)，總結(jié)了高溫下多晶體金屬的疲勞短裂紋萌生、擴(kuò)展、合體、干涉等行為的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)裂紋萌生主要是由鐵素體晶粒內(nèi)的滑移帶在晶界和試件表面產(chǎn)生的位錯(cuò)積累造成的，既有駐留滑移帶開裂引起的穿晶萌生，又有晶界開裂

4、引起的沿晶萌生;由于高溫的作用，裂紋初期的擴(kuò)展多數(shù)都是沿著晶界進(jìn)行的，而且珠光體對(duì)裂紋擴(kuò)展有著強(qiáng)烈的阻礙作用;當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)重合時(shí)裂紋發(fā)生合體，塑性區(qū)的大小和裂紋長(zhǎng)度及加載應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān);相鄰裂紋的干涉行為在試驗(yàn)中表現(xiàn)的非常明顯，主裂紋周圍少有長(zhǎng)度超過3個(gè)晶粒尺度的裂紋。
　　2、用修正的voronoi多邊形模擬了金屬表面的微觀組織結(jié)構(gòu)。區(qū)分了鐵素體與珠光體晶粒，用特定的隨機(jī)數(shù)組使珠光體呈帶狀分布;賦予鐵素體晶粒以3*3的隨機(jī)