考虑应力梯度的缺口疲劳分散性研究

针对缺口部位的微观结构及尺寸导致的疲劳分散差异较大的问题,为准确预测缺口件的疲劳分散性,以矩形截面缺口件为例,采用宏观Chaboche循环塑性本构模型与细观晶体循环塑性本构模型相结合的有限元子模型方法,并考虑缺口效应,提出了以应力梯度影响因子、等效应力与纵向应变为变量的统计标准差作为疲劳指示因子FIP_(notch)。在不同位移载荷、位移载荷比和缺口直径大小情况下将疲劳指示因子FIP_(notch)与经典的Fatemi-Socie疲劳指示因子FIP FS进行疲劳分散性的比较与分析。结果表明:疲劳指示因子FIP_(notch)均能很好地预测不同位移载荷、位移载荷比和缺口直径下的缺口疲劳分散性,且比经典的FIP FS方法有更高的精度与适用性。

基于晶体塑性模型的304不锈钢疲劳寿命预测

基于晶体塑性理论生成的多晶体代表性单元,通过模拟拉伸试验获得具有宏观性能的晶体塑性材料参数;采用累积塑性应变作为疲劳指示因子进行疲劳寿命预测。结果表明:通过疲劳指示因子预测的疲劳寿命在试验获得的疲劳寿命的±2倍误差范围之内,模拟结果在可接受范围之内。

阳极氧化膜对铝合金疲劳裂纹萌生的影响

首先基于晶体塑性有限元理论选取有自由表面的统计体积单元建立晶粒聚集体,并在晶粒聚集体的自由表面上覆盖不同厚度的弹性各向同性介质,以表示阳极氧化形成的氧化膜;然后借助Fatemi-Socie疲劳指示参数来表征疲劳裂纹萌生驱动力,对3种应力水平下覆盖不同厚度氧化膜的晶粒聚集体的裂纹萌生驱动力极值进行统计分析。结果表明,低应力水平下氧化膜的约束作用会普遍降低铝合金基体的裂纹萌生驱动力,但随着应力水平的提高,覆盖氧化膜的晶粒聚集体的最高裂纹萌生驱动力逐渐超过了无氧化膜的晶粒聚集体。氧化膜厚度增大时,铝合金基体的裂纹萌生驱动力有所降低。当应力水平低于弹性极限时,由于氧化膜的约束作用,不仅铝合金基体的裂纹萌生驱动力会降低,铝合金基体的疲劳热点比例也会减小。

焊趾半径对疲劳短裂纹演化行为的影响

焊趾半径对焊接结构的疲劳性能有重要影响.综合泰森多边形法和子模型技术,采用粘塑性率相关的晶体塑性本构,在宏观的十字形焊接接头焊趾局部构建了二维微观RVE(representative volume element)子模型.基于滑移带平均的疲劳指标参量计算滑移带的成核寿命和扩展寿命,通过降低具有最小寿命的滑移带的弹性模量模拟裂纹的形成,实现了宏观-微观跨尺度疲劳短裂纹演化行为仿真.分析表明:当焊趾半径小于0.5 mm时,成核寿命随着焊趾半径增大而增大;当焊趾半径大于0.5 mm时,成核寿命主要受到晶粒形态与取向的影响呈现波动性变化.焊趾RVE子模型可划分为焊趾圆弧影响区和非影响区.在焊趾圆弧影响区,裂纹演化行为主要受到焊趾半径影响,成核位置有所差异,扩展速率随裂纹循环次数呈线性上升;随着裂纹扩展,焊趾半径影响逐渐减小,晶粒形态与取向影响逐渐增大;当裂纹扩展到非影响区,裂纹演化行为主要受到晶粒形态和取向的影响,扩展速率呈现较大的波动性.

增材制造微结构演化及疲劳分散性计算

为了预测增材制造中工艺参数-微结构-力学性能之间的关联规律,提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法,揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响.首先,采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设;其次,通过热-熔体-微结构耦合的非等温相场模拟,获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构;然后,应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应,并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP);最后,采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性.以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明:增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低,且呈各向异性;FIP极值符合Gumbel极值分布规律,激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性,但会导致FIP极值升高,使得疲劳裂纹萌生驱动力增加,疲劳寿命降低.

基于晶体塑性理论的高-低周疲劳寿命预测统一准则

在晶体塑性有限元的框架下建立了关于镍基合金Inconel 718(IN718)从低周疲劳(LCF)到高周疲劳(HCF)的寿命预测统一准则。在介观尺度下通常借助疲劳指示因子(FIP)进行寿命预测,例如基于FIP累积能量耗散可较好地预测IN718的LCF寿命,但对于HCF寿命的预测过于非保守,从而使工程构件面临过早疲劳失效的风险。因此在累积能量耗散的基础上考虑有效弹性能,定义一个新的FIP,即有效能。假设有效能的临界值是一个与加载条件无关的常数,当每周次的有效能累加到这个临界值时材料的疲劳寿命便可被确定。基于有效能的寿命预测准则不仅可较好地预测IN718的LCF寿命,还可较好地预测IN718的HCF寿命。然而结果显示不同应变幅下的有效能临界值并不相等,且不同应变幅下的有效能临界值与每周次的有效能间成双对数线性关系。基于此对基于有效能的寿命预测准则进行进一步的修正。结果表明修正的寿命预测准则不仅对LCF和HCF寿命有较高的预测精度,且其寿命预测稳定性也有提高。