Q235鋼速率相依疲勞損傷的密度法試驗研究.pdf

1、工程中的材料，由于加工過程、外部載荷與溫度、環(huán)境等諸多因素的影響，將會導致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化。微觀上通過微孔洞與微裂紋的形式表現(xiàn)出來，孔洞與裂紋持續(xù)擴展后，將會演變成宏觀裂紋。而宏觀裂紋的出現(xiàn)，也代表材料的整體力學性能大大弱化了，具體表現(xiàn)為強度、剛度以及斷裂韌性的降低，進而削弱其結(jié)構(gòu)強度，縮短其使用壽命。這種在斷裂破壞前材料性能就逐步劣化的現(xiàn)象被稱為損傷。經(jīng)過大量事實發(fā)現(xiàn)，材料在使用過程中會發(fā)生損傷，損傷累積到一定程度會造成材

2、料的失效破壞。由于金屬材料在國防和民用工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對其結(jié)構(gòu)的安全和可靠性的研究已引起國內(nèi)外力學工作者的普遍重視。因此對金屬材料疲勞損傷方面的研究，已逐漸成為力學領(lǐng)域中研究的熱點，在化工、輕紡、建筑、機械等行業(yè)以及日用品工業(yè)中，愈來愈顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文針對金屬材料，通過疲勞損傷實驗，研究其材料性能隨應(yīng)變速率、載荷頻率、應(yīng)力/應(yīng)變水平和加載時間等因素的變化，在此基礎(chǔ)上建立金屬速率相依型疲勞損傷演化本構(gòu)模型，通過模型

3、計算構(gòu)件的損傷程度，從而達到預估其剩余壽命的目的。同時運用密度測試法，建立起不同應(yīng)變速率下的金屬損傷與材料內(nèi)部密度變化之間的聯(lián)系，本文的工作，對深入了解金屬的物理性能、合理并高效利用金屬具有重要的學術(shù)意義和較大的工程價值。
　　本文以湖南省教育廳重點項目(16A220)及大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目（湘教[2015]269號）為背景，對不同應(yīng)變速率下的Q235鋼進行了速率相依型的密度法試驗研究。主要研究內(nèi)容如下:
　

4、　(1)結(jié)合國內(nèi)外文獻對Q235鋼疲勞損傷的研究成果及現(xiàn)狀，分析影響Q235鋼試件疲勞損傷的主要因素，將速率作為重點考量因素，并從細微觀的疲勞損傷演化機理分析入手，推出基于應(yīng)變速率的疲勞損傷演化律。
　　(2)在CMT5105萬能電子試驗機上，實施不同荷載、不同循環(huán)次數(shù)的試驗方案。在試驗過程中，主要通過力的控制來實現(xiàn)這些試驗方案。通過控制，載荷以一定的速率施加。每次循環(huán)的載荷幅值增加1-2kN左右，在試件從彈性變形開始，經(jīng)歷屈服直

5、到最后試件拉斷為止的過程中逐漸增大。在整個試驗過程中對試件反復進行加卸載試驗，卸載最小值為10N。每個試驗方案至少進行3次，最后取其平均值作為試驗結(jié)果。結(jié)合疲勞試驗的數(shù)據(jù)，與文獻所得到的損傷演化模型的相關(guān)參數(shù)繪制成圖表，再根據(jù)損傷演化特征，進一步給出更符合實際的損傷演化律并逐步確立其參數(shù)。
　　(3)對拉斷的試樣進行機械加工，將加工好的試件置于精度為0.1mg的Mettler的UMT2型超微量電子天平上稱量并記錄，得到不同比重比下

6、的損傷量。在此基礎(chǔ)上畫出損傷值D與密度ρ的關(guān)系曲線，再與參照文獻中密度測損模型的結(jié)果進行對比，并對損傷-密度曲線進行分析，得出相關(guān)結(jié)論。
　　(4)使用金相鑲嵌機對試件進行鑲嵌，并置于徠卡高倍光學顯微鏡下觀察，對比未受疲勞損傷的圖像，對內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化進行分析。同時選取方案中富代表性的損傷試樣，通過掃描電鏡更近一步觀察微觀組織的變形特征，分析其變形機理。并結(jié)合文獻中的疲勞損傷斷裂形式及斷口綜合分析，更深入地研究應(yīng)變速率對材料內(nèi)部