基于熱力學分析的疲勞損傷與壽命預測研究.pdf

1、現(xiàn)代機械面對的服役環(huán)境越發(fā)復雜，用戶對材料壽命的要求也不斷提高。而疲勞本身又是金屬材料失效的一個重要原因，對疲勞的研究在經(jīng)濟層面，安全層面和環(huán)境層面都有重要意義。然而疲勞問題本身的復雜性使得疲勞理論彼此較難兼容，不同的理論只能在特定范圍內(nèi)解釋有限的問題。傳統(tǒng)的研究手段也鮮有重大突破，眾多因素困擾著疲勞研究的發(fā)展。當下迫切需要找到現(xiàn)有條件允許的研究方向和研究手段以克服疲勞復雜性對疲勞理論發(fā)展帶來的瓶頸。
　　本研究以航空制造業(yè)中常見

2、的300M鋼和LY12CZ鋁合金為對象展開疲勞研究，同時利用先進的紅外檢測手段對疲勞過程中的溫度演化進行監(jiān)測。從疲勞本身和疲勞伴生的溫度響應入手分析，同時理論上深入到能量層面和熱力學層面探究疲勞損傷的本質(zhì)。并最終在熱力學框架下，通過熵這樣一個無序性和不可逆性指標進行疲勞損傷評價。很大程度上解決了疲勞復雜性問題。論文主要內(nèi)容如下：
　　1.通過疲勞溫度演化試驗研究與現(xiàn)象分析，給出一套基于溫度演化的疲勞剩余壽命預測方法。在試驗研究階段

3、，為了分析可能對疲勞溫度響應和疲勞過程中熵變化造成影響的因素，用航空制造業(yè)中常見的金屬材料300M鋼和LY12CZ鋁合金制備一系列不同規(guī)格的（不同幾何尺寸、不同晶粒度等級）試件，并在測試中施加不同的軸向循環(huán)載荷（不同幅值、不同應力比、不同加載次序的多級加載等）。為了分析了上述因素對疲勞溫度演化的影響，所有疲勞測試的溫度演化過程都由高精度紅外成像儀即時監(jiān)測。隨后對現(xiàn)有基于疲勞溫度演化的壽命預測模型難以預測加載歷史不明的受損件剩余壽命的問題

4、進行深入研究。在疲勞溫度演化試驗中引入激勵載荷（不同于測試載荷的循環(huán)載荷）。疲勞試驗在不同的加載周次下被暫停，并在試件冷卻后施加短時間的激勵載荷，記錄不同受損情況下的受激溫升斜率。發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了不同循環(huán)周次時對應的受激溫升斜率和試件此時所消耗的壽命存在線性關系，且這種關系對不同載荷幅值和晶粒度水平均適用。在此基礎上提出了“參考斜率曲面系”的概念。
　　2.為了揭示疲勞溫度演化的本質(zhì)，將裂紋尖端應變場釋放的能量作為疲勞熱效應的主因進行熱

5、耗散分析，嘗試給出疲勞熱源演化規(guī)律。鑒于能量不能直接作為裂紋擴展行為的度量，將Paris公式作為裂紋擴展行為的描述模型以確定裂尖位置和周次的關系，從而確定特定周次下應力應變場的位置和形態(tài)，即得到了裂尖熱源位置和功率的演化過程。模擬分析中考慮了材料的循環(huán)硬化效應，在裂紋演進的關鍵位置設置計算采樣點。將塑性應變能和彈性應變能的作用效果進行了分離，發(fā)現(xiàn)滯回生熱主要導致試件平均溫度的上升，而彈性生熱主要導致平均溫度的小幅漲落。同時發(fā)現(xiàn)裂尖的塑性

6、應變能密度會隨循環(huán)周次增加，但增加速率會由于循環(huán)硬化的產(chǎn)生而逐步降低。實際應力越大則裂尖塑性區(qū)越大，能量釋放率越高，熱源功率越高，試件溫度響應更劇烈。最后用分析得到的疲勞熱源數(shù)值還原了疲勞溫度演化過程。
　　3.嘗試用疲勞過程中的不可逆熵產(chǎn)描述疲勞損傷。從變形體的熵平衡方程入手分析由熱和變形導致的疲勞系統(tǒng)熵變化。用克勞修斯不等式將系統(tǒng)的熵產(chǎn)和熵流進行剝離，簡化疲勞過程的熵產(chǎn)分析，排除了內(nèi)部變量對熵產(chǎn)的影響。將疲勞熵產(chǎn)歸結為塑性應變

7、能和溫度的比值。在此基礎上重點分析了疲勞過程中體積熵產(chǎn)率的變化與熵產(chǎn)累積。發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)率隨載荷增大而增大，整個疲勞過程中熵產(chǎn)率基本保持恒定。整個疲勞過程的累積熵產(chǎn)最終會達到一個定值（破壞臨界值），該值被定義為“疲勞斷裂熵”，且獨立于載荷大小、載荷頻率、應力比和試件幾何尺寸，但晶粒度會影響疲勞斷裂熵。疲勞斷裂熵不會隨著晶粒的細化而無限加大。不同載荷下的熵產(chǎn)累積之和在疲勞斷裂發(fā)生時達到疲勞斷裂熵，該規(guī)律可以用于損傷評估。
　　4.用熵流和

8、熵產(chǎn)指標構建損傷變量，通過連續(xù)損傷力學的損傷評估方式擴展熵流和熵產(chǎn)的疲勞損傷評估能力。發(fā)現(xiàn)用熵流和熵產(chǎn)構建的損傷變量能有效評估疲勞過程中的實際損傷，且損傷變量通過壽命歸一化處理即可擺脫載荷幅值、應力比、載荷頻率、晶粒度和試件幾何尺寸對損傷評估的影響?？梢酝ㄟ^設置損傷變量臨界值的方式預警疲勞破壞的發(fā)生。以熵產(chǎn)指標構造的損傷變量還能有效評估多級加載次序效應對金屬材料帶來的影響。對二級和三級循環(huán)加載測試的分析發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)指標構造的損傷變量能夠有效