基于能量耗散的金属疲劳损伤表征及寿命预测

摘要

目前金属疲劳中的能量耗散理论还存在诸多问题，尤其缺乏对它进行全面研究。以往限于实验手段及理论知识，研究人员只能根据各自感兴趣的问题从不同的角度开展研究，但是随着科技的发展，各种高精度仪器的相继出现，实现这种全面研究已有可能。在前人研究基础上，通过研究金属低周疲劳过程中温度及表面微观形貌的变化来实现对能量耗散问题的全面研究，进而完善低周疲劳能量耗散理论。
　　通过理论分析金属低周疲劳过程中的能量耗散关系，发现材料形变过程中消耗的机械功以多种能量形式耗散。其中绝大部分是以热耗散的形式散失于环境中和以显微结构畸变的形式贮存于材料中。通过分析热耗散及储能的变化规律，发现热耗散的不均匀分布使材料单元间产生热传导、材料与环境间产生热交换，并在材料中形成局域温度场；储能的变化引起材料微观结构的变化，甚至表面微观形貌的变化，这是与材料的损伤状态是直接相关的。大量研究表明，温度的变化与热耗散的变化具有自相似性，且能够反映材料疲劳变化的不同过程；表面微观形貌的变化与储能的变化是一致的，它反映了材料疲劳变化的不同状态。
　　本文通过设计和实施低周疲劳能耗试验，采用高精度的红外热像仪和远距高倍显微镜同步测量了LY12CZ铝合金和T2纯铜光滑试样与缺口试样在疲劳过程中的温度变化、表面温度场的分布情况与表面微观形貌变化，研究了纯铜和铝合金在疲劳过程中热耗散的变化规律及其与试样表面显微形貌的联系。在疲劳过程中，试样表面温度随应力水平的增大而增大，并且试样表面的温度场能反应疲劳损伤的不同阶段。同时，还观测到Lüders band在疲劳中的演化过程，它反应材料在疲劳开始阶段塑性变形过程。试验过程中发现温度与储能(表面微观形貌)在能量的基础上存在一定的联系。试样在变形的过程中，其表面温度变化与表面微观形貌变化存在明显的相关性，且两者随着试样形状、加载方式的不同而出现不同的变化。
　　为了定量描述材料疲劳过程中的热耗散，根据试验分析，结合离散热信号的MATLAB Fourier处理和相关理论得出单位体积材料单个循环的热耗散能Q。由于忽略了一些形式的能量耗散，使得铝合金在疲劳过程中的热耗散及塑性应变能之间的定量关系存在一些不确定性，给出的估算公式在应用上也存在局限性。
　　根据试验分析，使用灰度直方图和灰度共生矩阵两种方法对表面显微图像进行了特征提取，对表面形貌的变化做出了定量的描述和表征。发现试样在变形的过程中，表面温度变化与表面微观形貌变化存在明显的相关性，反映了疲劳过程中的热耗散和储能的变化规律。
　　通过分析机械能耗，发现在低周疲劳过程中循环滞回能在循环初期变化很大，随后逐渐减小趋于稳定，在疲劳破坏发生前的最后阶段又迅速衰减。累积塑性应变能随着加载频率及应力水平的增加而增加，与疲劳寿命对数坐标下呈线性关系。并且根据热传导的傅立叶定律、能量耗散控制方程，推导出与温度相关的疲劳寿命预测公式，并且与实验值对比，两者吻合较好。限于目前的试验手段，没有得出热耗散与储能之间的定量关系。为此，希望通过下一步深入研究，进一步解决目前存在的问题，完善低周疲劳能量耗散理论。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 疲劳能量理论及方法研究现状

1.3 基于能耗理论的疲劳损伤研究现状

1.4 疲劳寿命预测研究现状

1.5 本文研究背景及研究内容

2 金属低周疲劳损伤过程中能量耗散

2.1 引言

2.2 金属疲劳过程中的能量耗散

2.3 热力学基本原理

2.4 疲劳损伤过程中的能耗控制方程

2.5 金属疲劳中的表面显微结构演化及稳定性原理

2.6 小结

3 金属低周疲劳能量耗散试验

3.1 引言

3.2 试验方法简介

3.3 低周等幅疲劳试验

3.4 循环加载过程中温场和表面显微形貌的变化

3.5 小结

4 金属低周疲劳过程热耗散分析

4.1 引言

4.2 Lüders band现象演变

4.3 低周疲劳过程中试样温度演变规律

4.4 单调加载过程中试样温度演变

4.5 金属低周疲劳过程中热耗散模型

4.6 小结

5 金属低周疲劳表面显微结构分析

5.1 引言

5.2 表面显微结构特征提取方法

5.3 低周疲劳过程中表面显微结构特征提取

5.4 T2纯铜低周疲劳损伤过程表面显微结构特征演化

5.5 LY12CZ铝合金低周疲劳损伤过程表面显微结构特征演化

5.6 小结

6 金属低周疲劳损伤表征及寿命预测

6.1 引言

6.2 低周疲劳过程的能量耗散规律

6.3 基于能量耗散的低周疲劳损伤表征

6.4 基于能量耗散的低周疲劳寿命预测

6.5 小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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