141 / 2021-04-11 18:44:51

基于晶体塑性分析的金属疲劳模型研究——剪切疲劳寿命预测

剪切疲劳；变形不均匀性；non Masing行为；应变与晶体滑移；疲劳损伤；疲劳寿命曲线预测

拉压循环与剪切循环下金属的抗疲劳能力与金属的变形和疲劳破坏机制相关。针对剪切循环下金属疲劳，以310s不锈钢的扭转疲劳试验为例进行研究。主要关注：（1）用什么物理量的指标参数来度量循环载荷作用下金属材料微结构的演化进程；（2）对循环滞回行为与应变幅相关的non Masing材料，能否找到合适的指标参数来描述循环过程下的材料微结构演化，并预测材料的疲劳寿命曲线。本文进行了试验和数值模拟研究。采用薄壁管试样，进行了7种恒等效应变幅下的扭转疲劳试验。参照试验，基于细观变形不均匀性演化导致疲劳破坏的机制，展开数值模拟研究。用Voronoi多晶代表性单元作材料模型，结合晶体塑性有限元计算进行剪切循环全过程模拟。对循环过程中不同应变分量和晶体滑移量的不均匀性演化进行统计分析，检验各参数用于描述微结构演化和疲劳损伤的合理性。并根据计算得到的各指标参数随循环的变化曲线，给出各自的疲劳曲线预测。本文研究得到以下结论：

（1）材料细观变形不均匀性随循环数增加而不可逆地增长，反映了材料的微结构演化和疲劳损伤的不可逆性。

（2）若以材料细观变形不均匀性来度量微结构演化和疲劳损伤，可建立与材料模型坐标系选择无关的指标参数。

（3）利用这些指标参数，只需在一个应变幅下进行低周循环疲劳测试，就可通过不同应变幅下的加载循环模拟来预测金属的疲劳寿命曲线。

（4）循环加载下材料细观变形趋于不均匀是导致材料疲劳破坏的重要机制，该机制可通过量化分析来表达。



关键词：剪切疲劳；变形不均匀性及其度量；non Masing行为；应变与晶体滑移；疲劳损伤；疲劳寿命曲线预测