鋁鋰合金小裂紋擴(kuò)展行為與疲勞壽命預(yù)測研究.pdf

1、隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對飛行器重量、性能、能源消耗等要求不斷提高，對材料也提出了更嚴(yán)格的要求。為了降低重量、提高性能，發(fā)展高強(qiáng)度輕質(zhì)合金是最有效的方法之一。鋁鋰合金密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高，損傷容限性能好，非常適用于作為飛行器結(jié)構(gòu)材料?！靶×鸭y效應(yīng)”廣泛存在于各種型號的鋁合金材料中，如果采用常規(guī)的長裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行鋁鋰合金的疲勞壽命預(yù)測，容易得到偏于危險(xiǎn)的結(jié)果。因此研究鋁鋰合金的小裂紋擴(kuò)展行為和壽命預(yù)測方法將會有非常重要的意義。

2、
　　本文研究鋁鋰合金的小裂紋擴(kuò)展行為，研究內(nèi)容包括以下三部分：
　?。?）小裂紋試驗(yàn)。通過標(biāo)準(zhǔn)的小裂紋試驗(yàn)研究鋁鋰合金的小裂紋效應(yīng)及擴(kuò)展規(guī)律。本文小裂紋試驗(yàn)中采用的是單邊缺口（SENT）試樣，可以模擬飛行器結(jié)構(gòu)中廣泛存在的緊固孔、螺栓孔等周圍的應(yīng)力分布形式，同時(shí)該試樣還可以獲得由材料缺陷處自然萌生的表面裂紋和角裂紋。采用標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)型法來監(jiān)測小裂紋的長度，該方法廣泛應(yīng)用于小裂紋試驗(yàn)中。這種方法操作簡單，只需經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可掌

3、握。另外，復(fù)型法能夠檢測到的裂紋尺寸非常小，可以小至幾個(gè)微米，復(fù)型膜上還能清楚地觀測到一條甚至多條裂紋的起裂位置。但是復(fù)型法需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，單次復(fù)型合格率很低，可能需要多次復(fù)型操作才能復(fù)印出比較滿意的表面形貌。小裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明，本文中的鋁鋰合金在負(fù)應(yīng)力比下存在“小裂紋效應(yīng)”。
　?。?）理論分析。金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件中存在著一些雜質(zhì)、缺陷、孔洞和比較脆弱的晶粒，這些地方就是小裂紋易于產(chǎn)生的位置。小裂紋擴(kuò)展速率較普通的長裂紋

4、高，主要原因包括裂紋閉合現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)特征和裂紋尖端塑性等。目前，長裂紋的擴(kuò)展分析主要采用基于應(yīng)力強(qiáng)度因子變程的斷裂紋力學(xué)分析方法，如果能夠進(jìn)一步修正應(yīng)力強(qiáng)度因子將該方法延伸到小裂紋階段將會非常有吸引力。Newman和Wu等學(xué)者經(jīng)過多年的研究表明，在長裂紋的分析方法中引入裂紋閉合效應(yīng)的影響則可以用于小裂紋階段的擴(kuò)展分析。采用這種方法可以進(jìn)行基于小裂紋理論的全壽命預(yù)測過程，本文采用Newman-Wu方法基于小裂紋理論預(yù)測鋁鋰合金試樣的全壽

5、命，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明預(yù)測方法適用于本文中的鋁鋰合金。
　?。?）孔擠壓數(shù)值分析?？讛D壓工藝被廣泛用于提高帶孔元件的疲勞壽命，因此本文研究了孔擠壓對鋁鋰合金的強(qiáng)化作用?？讛D壓強(qiáng)化工藝是指用具有一定過盈量的擠壓棒連續(xù)、均勻地?cái)D壓孔內(nèi)壁，使孔的周圍產(chǎn)生一個(gè)彈塑性變形層，即殘余壓應(yīng)力層?？讛D壓模擬過程涉及到材料非線性及幾何非線性，同時(shí)還需要進(jìn)行接觸分析，計(jì)算過程收斂困難，耗時(shí)長，需要比較多的計(jì)算資源。本文采用ABAQUS有