高温疲劳短裂纹裂纹行为数值模拟分析

摘要

20世纪以来，工业的急速发展使越来越多的工件需要工作在高温高压环境并且承受交变载荷，疲劳破坏事故时有发生。工件进入长裂纹阶段后，裂纹扩展速率不断加快，疲劳破坏事故往往会突然发生。研究发现，工件整个疲劳寿命中约有4/5的时间处在短裂纹阶段，且在萌生及后续演化过程中表现出强烈的随机性并且存在互相影响的情况，一般对长裂纹领域的研究无法适用，需要发展新的微观短裂纹裂纹行为研究方法，分析获取裂纹萌生、扩展行为的一般规律，预测工件使用寿命，提高工件使用过程中的可靠性。 本文选取20#钢作为实验材料，进行高温低周疲劳实验，获取在不同应变幅值下疲劳短裂纹的群体演化行为图像，对相关实验数据进行整理，根据裂纹萌生，扩展以及合体干涉过程所表现出的特性，建立疲劳短裂纹裂纹行为模型，考虑裂纹萌生的随机性特点，对裂纹萌生、扩展以及裂纹间的合体干涉行为作出分析，并进行数值模拟。 研究内容以及相关结论如下： （1）在高温条件下对试件进行不同应变幅值的低周疲劳实验，观察裂纹萌生直到破坏过程中的行为，包括前期扩展以及后期合体干涉。得出裂纹萌生主要在两个部位，一个部位是铁素体晶粒内，在循环载荷作用下滑移带扩大加深，萌生裂纹。另一部位是晶粒间的不稳定晶界，其中铁素体与珠光体因力学性能差异，晶界最容易开裂。裂纹扩展前期过程受到珠光体的阻碍作用明显，中后期裂纹基本不在萌生，裂纹间的群体演化行为是疲劳损伤的主要形式。裂纹合体行为会使裂纹长度突然变长，扩展速率加快，另外较大裂纹周围其他裂纹受到干涉行为的影响扩展受到抑制。 （2）建立细观构造与裂纹行为模型，以蒙特卡洛分析法为基础，使用泰森多边形构建20#钢试件细观构造，对珠光体与铁素体进行区分，使珠光体晶粒呈条带状分布，考虑珠光体以及铁素体力学性能差异引入架构能量的概念，将裂纹萌生扩展行为等通过能量数值的形式体现，设定裂纹合体行为受相近裂纹端点距离影响，合体的最大距离与裂纹长度相关，裂纹开裂会在其周围产生一定的松弛区域，在范围内的其他裂纹扩展受到抑制。 （3）通过Matlab软件对裂纹行为进行数值模拟，重现在高温条件下疲劳短裂纹萌生，扩展，干涉，合体等行为，和实验结果进行对比，裂纹行为参数拟合情况良好。

目录

声明

1 绪论

1.1 疲劳短裂纹研究背景及概念

1.1.1 疲劳短裂纹研究背景

1.1.2 疲劳短裂纹概念

1.2 裂纹行为概述

1.2.1 疲劳短裂纹萌生

1.2.2 疲劳短裂纹扩展

1.2.3 疲劳短裂纹合体与干涉

1.3 国内外研究现状及模拟方法发展

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 模拟方法的发展

1.4 本文研究内容

2 高温低周疲劳实验

2.1 高温疲劳短裂纹研究现状概述

2.2 低周疲劳实验

2.2.1 实验设备

2.2.2 试件材料与性能参数

2.2.3 表面腐蚀方法及流程

2.2.4 实验方法与流程

2.3 裂纹行为分析

2.3.1 裂纹萌生及扩展分析

2.3.2 裂纹群体行为分析

2.4 疲劳裂纹相关参数统计

2.4.1 疲劳寿命内裂纹密度统计

2.4.2 疲劳寿命内裂纹角度统计

2.4.3 疲劳寿命内主裂纹扩展长度统计

2.4.4 试件疲劳寿命统计

2.5 试件有限元分析结果

2.6 小结

3 建立裂纹行为模型

3.1 模型简化的一般假设

3.2 模型的建立

3.2.1 细观构造简述

3.2.2 裂纹萌生模型

3.2.3 裂纹扩展模型

3.2.4 裂纹群体行为模型

3.3 小结

4 疲劳短裂纹的仿真分析

4.1 生成细观组织结构

4.1.1 泰森多边形简介与构建

4.2.2 赋予架构能量

4.2 各阶段裂纹行为模拟

4.2.1 Matlab编程优势简介

4.2.2 裂纹行为模拟过程

4.3 小结

5.1 裂纹演化行为对比

5.2 疲劳行为参数对比

5.2.1 各应变状态下裂纹萌生密度对比

5.2.2 各应变状态下裂纹萌生角度对比

5.2.3 各应变状态下主裂纹扩展速率对比

5.2.5 裂纹寿命对比

5.3 小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间论文发表学术论文情况

致谢

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