非对称循环载荷下TA2工业纯钛疲劳损伤行为的预测

对TA2工业纯钛进行应力控制的非对称载荷疲劳试验,研究了不同最大应力(245,253,270,300 MPa)下纯钛的疲劳寿命和断口形貌,分析了非对称循环载荷下的应变演变以及应力-应变响应;基于连续损伤力学理论,建立了基于棘轮应变和总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型,对纯钛的疲劳损伤过程进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:随着最大应力的降低,TA2工业纯钛的疲劳寿命延长。当最大应力为245,253 MPa时,塑性韧断区面积较小,断口中出现疲劳裂纹扩展区,失效机制为疲劳开裂及裂纹扩展失效,疲劳应变演变由加载初始阶段、稳定阶段和失效阶段组成,随最大应力的增加,塑性应变能密度以及相同疲劳寿命对应的平均应变均增大。当最大应力为270,300 MPa时,断口主要由纤维状的塑性韧断区组成,失效机制为循环塑性大变形失效,此时疲劳应变演化的稳定阶段不明显,随最大应力的增加,塑性应变能密度增大幅度较大,且当循环次数达到70%疲劳寿命时,270 MPa最大应力下的平均应变较大。基于棘轮应变的疲劳损伤演变预测模型对于疲劳中后期(循环次数不低于40%疲劳寿命)损伤值的预测效果较好,最大相对误差不超过12.5%;基于总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型预测的损伤值相对误差基本在23%以内,整体预测稳定性较差。

DD6单晶高温合金非对称循环载荷低周疲劳性能及断裂机制

研究DD6单晶高温合金在700℃、R=0.05条件下的低周疲劳性能,采用扫描电镜观察断口形貌和断裂组织,分析疲劳裂纹萌生、扩展及断裂机制。结果表明:随着应变幅增加,合金的低周疲劳寿命降低,合金在非对称循环载荷条件下具有良好的低周疲劳性能,不存在过渡寿命,低周疲劳过程中弹性应变起主要作用,塑性变形量极小。随着总应变幅的增加,塑性变形损伤增加;疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区三部分组成,所有试样断裂机制均为类解理断裂。疲劳裂纹萌生于试样的表面、亚表面或远离表面的显微孔洞,远离表面起裂断口呈现“鱼眼”特征。裂纹先沿与主应力轴垂直方向扩展,然后沿{111}平面扩展,裂纹扩展区有典型的疲劳条带、解理台阶、河流状花样特征,瞬断区有解理平面、滑移带、撕裂棱特征;断裂组织分析表明远离断口处γ′相仍保持立方状形态,断口附近的γ′相发生了塑性变形,断口附近可见滑移带,二次裂纹沿滑移带形成。

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,结果表明,晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短。用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响。引入参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系。根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系。用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内。

非对称循环载荷下材料低周疲劳寿命分析与计算

提出了一个用于计算非对称循环载荷下材料低周疲劳寿命的累积损伤模型和方法。该方法利用全应变幅及损伤积累来控制和计算疲劳寿命，并给出了裂纹的开裂尺寸和开裂方向。这为我们进行各种疲劳寿命计算以及结构优化设计提供了一个新的思路和方法。

DD3镍基单晶合金非对称循环载荷低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,表明晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短。用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响;引入参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系。根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系。用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内。

非对称循环载荷下Q235钢力学响应特性分析

为了准确判断Q235钢在非对称应力循环载荷作用下产生的棘轮效应、包申格效应及循环软/硬化特性对材料性能的影响,本文进行了多种非对称应力条件下的循环加载试验。采用数据分析的方法,研究了Q235钢力学变形行为与加载工况之间的关系。试验表明:Q235钢棘轮应变和棘轮应变率的正负与平均应力符号相同;平均应力为负值时,表现为循环硬化特性,压缩屈服应力大于拉伸屈服应力;平均应力为正值时,表现为循环软化特性,拉伸屈服应力大于压缩屈服应力;在平均应力符号相同条件下,第1周的屈服应力也基本相同。研究结果为结构设计和建立精确的循环本构模型提供了理论依据。

非对称循环载荷下疲劳寿命估算的能量法

首先给出了材料静态σ－ε曲线更精确的拟合方法，然后提出一种能够对材料在非对称载荷作用下的响应进行定量分析预测的循环特性计算模型——双切线模型，最后用总应变能原理对疲劳寿命进行了估算。结果表明。

非对称循环加载下燃气轮机叶片材料疲劳寿命预测

燃气轮机叶片在实际工作过程中,易受到非对称循环载荷作用而发生疲劳失效。为便于准确地预测非对称循环加载下叶片材料的裂纹萌生及扩展寿命,首先考虑平均应力效应和高应力区的塑性变形影响,对Chaboche模型进行改进,然后将改进的Chaboche模型和Walker裂纹扩展公式相结合,建立了一种非对称循环载荷作用下裂纹萌生及扩展综合寿命模型,并用试验数据进行验证分析。结果表明,该模型预测得到的裂纹萌生寿命、裂纹扩展寿命与试验数据基本吻合,验证了新模型的适用性和准确性,为燃气轮机叶片损伤分析和寿命预测奠定理论基础。

DD3镍基单晶合金低周疲劳寿命研究

进行DD3单晶合金在680℃温度下[001]、[011]和[111]三种取向的非对称循环载荷低周疲劳试验研究。结果表明：晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短；用取向函数修正应变幅度可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响；通过引入参量k表示非对称循环载荷产生的平均应力对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系。对应变幅度、取向函数和参量k与光滑或缺口疲劳试样的循环寿命进行相关性分析,发现无论是处于单轴应力状态还是复杂应力状态,应用多元线性回归分析方法拟合DD3单晶合金低周疲劳寿命曲线,相关系数最大,效果最好。

面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命的估算方法

用立方晶体单晶材料的等效应变和等效应力作为参量,考虑正交各向异性材料偏轴受载时存在正应力和切应力的耦合效应,引入k参量描述非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,建立工程上实用的幂函数形式的面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命预测模型。将立方晶体单晶材料屈服准则及其弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,对DD3单晶合金在680℃温度下的低周疲劳缺口试样进行非对称载荷循环应力应变分析。对不同的模型参量进行多元回归相关分析,发现用立方晶体单晶材料等效应变和等效应力作为模型参量拟合的回归曲线的相关系数最大,k参量与循环次数之间呈幂函数关系。利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉—扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据对模型进行验证,试验所得数据分别落在2.5倍和2.0倍偏差分布带内。

基于微观胞元的镍基单晶合金应力松弛数值模拟

对DD3镍基单晶高温合金薄壁圆筒试样在680℃进行了拉/扭低周疲劳试验,基于单晶合金的微观结构特性,建立了γ/γ′双相微观多胞元力学模型,采用双线性随动Hill硬化模型,对试样进行拉/扭循环位移加载有限元数值模拟。研究结果表明:高温非对称循环载荷下,试样轴向表现出应力松弛行为和非弹性形变累积,其中基体相最先出现塑性累积变形,导致低周疲劳破坏。数值模拟研究发现,使用单个胞元模型进行拉/扭多轴位移加载,会出现边界应力畸变现象,与试验结果不相吻合,而采用多个胞元力学模型则可以避免发生边界应力畸变现象,能够更好地模拟高温非对称循环载荷下的应力松弛行为和对单晶合金进行应力弱化损伤研究。

单晶镍基合金疲劳寿命的数学描述

构建了立方单晶的疲劳寿命回归模型,并推导出单晶镍基合金等效应力及应变的表达式。结果表明,实验所获得的数据均分布在2.0倍的偏差范围内,说明该模型具有较强的预测能力。