基于温度分布特征快速测定金属材料疲劳极限方法研究

摘要

作为一种潜力巨大的新型结构材料，镁合金目前被广泛应用于航天航空等交通运载结构中，这些结构均承受交变载荷易发生疲劳断裂失效。疲劳断裂通常发生在较低的应力水平下，并且在最终断裂之前通常不会出现明显的塑性变形，一旦发生疲劳破坏事故，人们的生命和财产将受到严重的威胁。
　　材料的疲劳产热与其疲劳损伤过程有着密切的联系。研究发现，在疲劳载荷作用下，施加于金属材料的机械功通常以热量的形式耗散，并同时造成材料温度的变化。红外热成像技术可以快速实时地获得被测目标的温度信息。因此，红外热成像技术在金属材料疲劳行为的研究中获得了广泛应用。
　　本文利用红外热像仪采集镁合金在高周疲劳载荷作用下的温度数据，并结合数字图像处理技术对获得的温度数据进行处理，分析了不同应力水平下AZ31B镁合金表面温度变化特征，利用AZ31B镁合金试件在疲劳载荷下的温度分布特征信息对其疲劳极限进行预测。
　　将红外热成像仪获得的温度数据剔除了热传导的影响，对温度数据进行处理后，得到AZ31B镁合金在高周疲劳载荷下的热耗散率，论文对疲劳产热的热源强度进行直接研究，而非通过温度数据间接的分析疲劳产热过程。当施加在AZ31B镁合金上的应力高于其疲劳极限但不超过其屈服极限时，在宏观疲劳裂纹萌生之前，AZ31B镁合金试件中心温度经历了先快速上升，随后快速下降，最后趋于稳定的三个阶段。材料在疲劳载荷下的产热量的多少取决于其循环塑性变形能力的大小。AZ31B镁合金在疲劳载荷作用下产生了严重的加工硬化，导致其塑性变形能力的大幅度下降。进一步的，热耗散率随着镁合金塑性变形能力的减弱而降低，同时引起镁合金试件中心温度的快速下降。
　　在对高周疲劳载荷下AZ31B镁合金试件中心温度及热耗散率演化规律研究的基础上，本文对AZ31B镁合金试件表面的温度分布进行了研究。结果表明，在不同应力水平下，疲劳试件上的温度分布呈现不同的规律。根据这一规律，本文提出一种基于试件表面温度特征的疲劳极限快速测定新方法，即温度特征法。
　　利用温度特征法测得AZ31B镁合金的疲劳极限平均值为103.84MPa;根据传统试验方法测得的疲劳极限为97.29 MPa;利用Luong法测得的AZ31B镁合金疲劳极限为105.20MPa。三种方法获得的结果较为一致。与其他两种方法相比，温度特征法能够在一定程度上节约试验时间和消耗试件的数量。理想情况下，温度特征法只需要对一根疲劳试件进行一次短时间的加载便可以测定AZ31B镁合金的疲劳极限。
　　本文提出的基于温度特征的疲劳极限快速测定法同样适用于446铁素体不锈钢。446铁素体不锈钢单个试件内同样可能出现两种不同的产热机制，造成两部分温度的明显差异。温度特征法测得446铁素体不锈钢的疲劳极限为464.88 MPa;利用Luong法测得的446铁素体不锈钢疲劳极限为477.34MPa。两种方法获得的结果较为一致，相对误差为2.61％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 红外热成像技术概述

1．2．1 红外测温技术原理

1．2．2 红外热成像技术的发展

1．3 基于温度变化的疲劳热像法研究进展

1．3．1 钢在疲劳载荷下的温度演化规律

1．3．2 红外热像法测定材料疲劳极限

1．3．3 红外热像法测定S-N曲线

1．3．4 红外热像法预测材料疲劳寿命

1．4 基于热耗散的疲劳热像法研究进展

1．4．1 热像图数据处理

1．4．2 红外热像法研究吕德斯带演化

1．5 本论文研究内容及技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 疲劳过程中的热效应分析

2．1 引言

2．2 热弹性效应

2．3 固有耗散

2．3．1 粘弹性效应

2．3．2 塑性耗散

2．4 热传导效应

2．5 本章小结

第三章 试验材料及方法

3．1 试验材料

3．2 疲劳试件的制备

3．3 试验过程

3．4 试验数据处理

第四章 局部产热过程分析

4．1 引言

4．2 高周疲劳载荷下镁合金的温度演化

4．3 高周疲劳载荷下镁合金的热耗散率演化

4．3．1 高于疲劳极限载荷下的热耗散率演化

4．3．2 低于疲劳极限载荷下的热耗散率演化

4．4 多次加载条件下镁合金的温度演化

4．4．1 高于疲劳极限重复加载

4．4．2 低于疲劳极限预加载

4．5 本章小结

第五章 温度特征法测定镁合金疲劳极限

5．1 引言

5．2 试件表面温度分布分析

5．2．1 试件表面温度分布

5．2．2 应力分布计算模型

5．2．3 温度-应力关系曲线

5．3 疲劳极限的测定

5．3．1 基于温度特征疲劳极限快速测定方法

5．3．2 与传统疲劳试验方法对比

5．3．3 与Luong法对比

5．4 本章小结

第六章 温度特征法适应性验证

6．1 引言

6．2 试验材料及过程简介

6．3 446铁素体不锈钢的典型温度演化

6．4 温度特征法测定446铁素体不锈钢的疲劳极限

6．5 结果验证

6．6 本章小结

第七章 结论

7．1 结论

7．2 存在的问题

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况