2124-T851铝合金平均应力松弛行为与随机疲劳寿命估算研究

摘要

随机载荷作用下的疲劳破坏是飞机结构件的主要失效形式。准确、有效地预测随机载荷下结构件的疲劳寿命对飞机设备的安全运行和降低成本具有重要意义。结构件在进行随机疲劳寿命估算时，需要考虑材料的低周疲劳性能、瞬态循环应力应变响应以及疲劳损伤估计等诸多因素。尽管针对上述问题，目前已有大量相关研究，但是缺乏应变比（平均应变）对材料低周疲劳行为及微观机制影响的深入系统研究，同时，对循环软化、平均应力松弛等循环应力应变响应的本构描述研究相对较少。本文针对飞机结构件中广泛应用的2124-T851铝合金，开展了不同拉、压应变比（R=-1、R=-0.06、R=0.06、R=0.5）下的低周疲劳试验和相同载荷谱不同强度下的随机谱载疲劳试验。主要研究内容和成果如下： 本文系统研究了不同拉、压应变比下2124-T851铝合金材料的低周疲劳行为和微观机制，分析了应变幅和应变比等因素对低周疲劳行为和微观机制的影响。研究结果表明：材料在各个应变比下总体上表现出循环软化特性。在对称加载下，其循环软化率随着应变幅的增加而线性减小。在给定应变幅下，材料的循环软化速率随着应变比的增加而线性增大。材料的循环强度系数K′与循环硬化指数n′随着应变比的增加均表现出线性增加的趋势，而材料的疲劳寿命随着应变比的增大呈现减小特征。此外，在低周疲劳过程中，应变幅和应变比对材料内部滑移带的长度和密度、粗糙粒子的体积分数和尺寸以及断口形貌产生显著影响。进一步研究发现材料的疲劳延性和断裂韧性与应变比密切相关，并会随着应变比的增加而显著下降。 针对2124-T851铝合金在低周疲劳过程中平均应力松弛行为现象，本文重点考察了循环变形特性、初始平均应力、应变幅、应变比等因素对平均应力松弛行为的影响规律，并揭示出平均应力松弛速率随着应变幅的增加而增加，随着应变比的增加而减小的规律。基于试验结果的分析，在Landgraf模型基础上提出了一种可以预测不同应变比下平均应力松弛行为的改进模型。改进后的模型可以更加便捷、准确地预测材料在不同应变比下的平均应力松弛行为。 根据Cottrell理论从滞回环中定量提取内应力（背应力和摩擦应力），并从内应力演化角度研究了2124-T851铝合金材料循环软化特性和平均应力松弛行为。结果发现材料的循环软化特性为摩擦应力和背应力共同作用机制。材料在初始1/4循环，出现的迅速软化现象归因于摩擦应力的快速降低。在1/4个循环后的循环软化则由背应力的减小造成。并指出了材料的平均应力松弛行为是由于材料平均背应力的逐渐降低所引起。 依据2124-T851铝合金低周疲劳过程中的内应力（背应力和摩擦应力）演化规律，研究了材料的应变疲劳控制下的循环塑性本构方程。首先，基于Chaboche三级背应力模型和Ohno-Wang模型的分段性方法确定了五级背应力，并叠加各向同性硬化模型确定了混合硬化本构模型。然后，依据摩擦应力和背应力的演化数据确定了该混合硬化本构模型中的参数。该循环塑性本构模型合理的描述了2124-T851铝合金循环应力应变响应，并且基于内应力演化分析所确定模型中的参数更为合理，物理意义更加清晰。 对2124-T851铝合金双边缺口试样和中心孔试样开展了相同载荷谱三个不同强度的随机疲劳试验。提出了采用混合硬化本构模型与Neuber计算方法相结合的瞬态局部应力应变转换法（瞬态法）。基于局部应力应变法，对比分析了采用稳态法和瞬态法（分别采用Ramberg-Osgood和混合硬化本构模型与Neuber公式进行缺口处局部应力应变转换）的随机载荷下裂纹萌生寿命估算结果。结果显示，对于2124-T851铝合金双边缺口试样和中心孔试样，采用稳态法或多或少地存在过高预测材料疲劳寿命的情况，而瞬态法改善了高估寿命的问题。

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