含裂纹金属梯度材料剩余强度及疲劳寿命研究

摘要

金属梯度材料是由两种及以上的金属基于增材制造技术制成的一种新型整体材料，可根据结构不同部位的受力状态和使用功能进行材料合理布局，充分发挥各自的材料优势，不同材料之间能够连续过渡且梯度分布具有可设计性。由于材料属性的变化分布，梯度材料的疲劳与断裂问题与均匀材料存在显著差异，基于此点本文通过试验研究并结合数值模拟，研究了金属梯度材料的裂纹萌生、疲劳裂纹扩展及剩余强度问题，主要内容包括： （1）通过对三种形式的300M基AerMet100梯度涂层超高强度钢试件进行疲劳试验，获得了该金属梯度涂层试样的疲劳性能。使用Python语言建立了考虑金属细观随机性的多晶模型，结合宏-细观多尺度方法预测了试件表面微裂纹的萌生过程，基于该模型进一步讨论了组分分布及细观结构对萌生寿命的影响。 （2）推导了梯度材料过渡区不同组分含量材料弹性模量、塑性本构、断裂韧性以及裂纹扩展速率的等效形式，以分层形式建立了梯度材料应力应变分析模型，通过修正的J积分计算梯度材料裂尖能量释放率，为后文剩余强度及扩展寿命的分析奠定基础。 （3）对含裂纹TC11-TC4及TA15-TA2梯度钛合金短梁进行准静态加载试验，并建立有限元模型对裂纹扩展行为进行预测。对于弹性状态的TC11-TC4短梁试件，将能量释放率换算为裂尖应力强度因子，试验获得了组分材料的断裂韧性，并结合K判据建立了含裂纹梯度材料剩余强度预测模型，模拟了梯度材料中裂纹的准静态扩展过程。对于TA15-TA2短梁试件，引入塑性本构对其进行弹塑性分析，使用最大比周向应力准则预测裂纹扩展角，解释了试验中裂纹进入TA2停止扩展的现象。 （4）对含裂纹TC11-TC4及TA15-TA2梯度钛合金短梁进行疲劳裂纹扩展试验，测定四种钛合金的裂纹扩展速率性能以及过渡层裂纹扩展速率分布规律。结合Paris公式建立含裂纹梯度材料疲劳裂纹扩展寿命预测模型，模拟了裂纹位于不同组份一侧时的疲劳裂纹扩展过程，并分别讨论了模量梯度及扩展性能梯度对扩展寿命的影响，为结构件优化设计提供参考。

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