毫小試樣低周疲勞試驗方法與應用.pdf

1、尺寸為毫米級的小試樣（毫小試樣）疲勞性能的獲取對服役結構和小尺寸零部件的安全壽命評估具有重要意義。隨著核電、風電、航空航天、深海潛艇、高速鐵路、新能源汽車、生物修復和人工智能等領域的不斷發(fā)展，新材料的不斷發(fā)明與應用，服役環(huán)境的復雜多樣，對材料和結構的疲勞測試研究提出了更苛刻的要求。當薄板、焊縫材料、薄壁管材、服役結構的微損取樣和小尺寸零部件用材的疲勞性能無法采用傳統(tǒng)大尺寸試樣進行測試獲取時，發(fā)展基于毫米級尺寸非標準試樣的材料力學性能測試

2、方法具有重要學術價值和工程應用背景。本文主要完成了如下工作:
　　(1)對毫小尺寸薄片材料、零部件和微損取材設計了滿足低周疲勞等幅對稱循環(huán)拉壓受力特點的新型毫小薄片漏斗試樣。對于試樣尺寸的小型化而導致難以夾持的問題，設計了用于不同尺寸毫小薄片漏斗試樣的夾持方式和試驗方案，從而實現了毫小薄片漏斗試樣的低周疲勞試驗。
　　(2)提出了一套基于能量理論用于直接求解冪率材料低循環(huán)應力-應變關系的預測模型UPCCR(Universal

3、 prediction model of cyclic constitutive relationship)。基于斷裂和疲勞分析中常用的Ramberg-Osgood應力-應變關系方程，對具有較好冪率硬化特征材料試樣在假定加載中的應變能可以采用分離方程表達，提出了毫小薄片漏斗試樣變形域內的彈性應變能和塑性應變能分離函數，根據功能原理和卡氏定理分別得到應力-應變關系彈性參量和塑性參量到彈性變形、塑性變形與載荷之間的關系表達式。采用有限元輔助

4、計算，標定出模型待定參量，建立起對不同幾何尺寸和不同冪律材料均具有良好普適性的預測模型，并通過有限元正反向驗證進行了預測精度分析。
　　(3)基于毫小薄片漏斗試樣疲勞壽命等效原理，通過有限元彈塑性計算提出針對多數金屬均滿足的應力幅應變幅轉換方程。該方程實現了毫小薄片試樣跨漏斗所測控名義應變幅和漏斗根部橫截面平均應力幅到漏斗根部真實應變幅和真實應力幅的轉換。進而得到獲取試樣漏斗根部材料代表性單元的真實疲勞壽命和Manson-Conf

5、fin壽命預測模型參數的新方法。
　　(4)完成了不同尺寸構型316L不銹鋼和TA17鈦合金不同尺寸毫小薄片漏斗試樣的應變對稱變幅低周疲勞試驗?；谘h(huán)穩(wěn)定階段的載荷-位移曲線，應用UPCCR模型預測316L不銹鋼和TA17合金毫小薄片試樣的循環(huán)應力-應變關系和等直圓棒試樣試驗結果吻合良好。試驗驗證了UPCCR模型對材料循環(huán)應力-應變關系的良好預測精度。
　　(5)完成了316L不銹鋼和TA17鈦合金毫小薄片漏斗試樣和等直圓