疲勞耗散能及其在疲勞性能快速預測中的應用研究.pdf

1、通過傳統(tǒng)的疲勞試驗方法得到準確的高周疲勞參數，往往耗費大量的費用和時間。若干年來，探討縮短試驗時間、減少試驗成本的快速預測高周疲勞性能的理論和實驗方法，一直是研究人員關注的熱點問題。能量方法是快速預測疲勞性能的一種重要手段，但現有方法在高周疲勞耗散能準確計算、宏觀耗散能與內部微結構演化關系及儲能測量等方面仍存在很多瓶頸和難點問題。為此，本文力求在基于耗散能的快速預測金屬疲勞性能方法上做出一些較有價值的嘗試和探索。首先針對高周疲勞過程中的

2、微熱變化，提出一種疲勞耗散能計算方法;其次，研究疲勞過程中宏觀耗散能與內部微結構演化關系;最后，構建基于穩(wěn)態(tài)耗散能和初始瞬態(tài)耗散能的疲勞性能快速預測方法。主要研究工作如下:
　　(1)提出一種基于紅外熱像技術的疲勞耗散能計算方法。在熱力學框架下，基于薄板假設，建立疲勞載荷下的材料的熱傳導方程。運用非接觸式的紅外熱像技術和電液伺服疲勞實驗機，構建一套觀測疲勞微熱變化的紅外疲勞實驗系統(tǒng)。通過設置參考試樣和隔熱裝置以降低環(huán)境噪聲的影響，

3、分離出導致局部溫升變化的耗散源、熱彈性源和熱輻射源，并推導出單循環(huán)疲勞耗散能計算公式及檢測門限，最后通過實例驗證耗散能計算方法的可行性和準確性。
　　(2)通過不同載荷歷程下的疲勞耗散能實驗，驗證了宏觀疲勞耗散能可作為表征材料內部微結構演化的標識?；谄谶^程中的能量平衡方程，推導出初始瞬態(tài)和穩(wěn)定能量耗散階段疲勞耗散能、塑性應變能和儲能的理論計算方法，分析彈性遲滯區(qū)間內耗散能和塑性應變能的變化規(guī)律。通過全面對比分析拉伸損傷和疲勞損

4、傷前后耗散能變化規(guī)律，可知宏觀疲勞耗散能與內部微結構演化密切相關，可作為疲勞損傷評估的一個敏感指標，并應用于等變幅疲勞損傷實時監(jiān)測中。
　　(3)提出一種基于穩(wěn)態(tài)耗散能的疲勞性能參數快速預測方法。當經歷一定的疲勞壽命循環(huán)次數后，材料達到穩(wěn)態(tài)能量耗散階段后，內部微觀結構演化達到準平衡態(tài)過程，單循環(huán)疲勞耗散能基本保持恒定。通過擬合對應不同疲勞載荷水平的穩(wěn)態(tài)耗散能，提出預測疲勞極限的“單線法”和“雙線法”。同時，擬合出疲勞耗散能-壽命曲

5、線與應力-壽命曲線相同的規(guī)律，且耗散能-壽命曲線能夠表征疲勞壽命的離散分布。推導出基于穩(wěn)態(tài)耗散能的Miner累積損傷模型，將其用于預測剩余壽命預測和載荷次序效應研究中，所得結果與實驗數據一致，具有較好的精度。
　　(4)研究基于初始瞬態(tài)耗散能的高周超高周疲勞性能參數預測方法。在疲勞初始瞬態(tài)能量耗散階段，耗散能迅速增加并逐漸穩(wěn)定，對應于材料的初始微塑性效應。通過實時監(jiān)測不同疲勞載荷作用下初始瞬態(tài)耗散能變化規(guī)律，研究基于初始累積塑性耗