（化工过程机械专业论文）16mnr钢单轴棘轮效应实验及预测.pdf

摘要 材料在循环载荷作用下产生的塑性变形的逐渐累积现象称为棘轮效应。棘轮 问题的危害性引起了国内外学者的广泛重视，其研究已经成为热点方向。对于材 料低周疲劳行为，绝大多数的实验及理论研究都是在应变循环控制下加载，对于 有平均应力存在的应力控制循环加载下的低周疲劳行为研究较少，特别是关于材 料全寿命棘轮效应的研究更少。 为了研究和预测1 6 m n r 钢及焊缝金属的棘轮效应，完成室温下压力容器常 用钢1 6 m n r 钢及焊缝金属的应变对称循环实验和一系列全寿命的单轴棘轮效应 实验。实验结果表明：1 6 m n r 钢是一种循环稳定材料；焊缝金属由于本身组织 的不均匀性，焊缝金属内部存在缺陷，而在循环载荷的作用下，焊缝金属内部的 缺陷损伤会进一步增加，降低了材料的强度，因此焊缝金属表现出了循环软化特 性。在单轴棘轮效应实验中，随着平均应力和应力幅值的增加，棘轮应变增加； 在循环过程中，棘轮应变不能达到饱和，即棘轮应变随循环次数的增加而持续增 加。同时，不断增加的棘轮效应带来了附加的疲劳损伤，缩短了疲劳寿命。 利用c h e n 和j i a o 提出的基于o w 模型的改进模型，通过单轴棘轮效应实 验，确定了符合1 6 m n r 钢及焊缝金属的常数，该模型很好的预测了1 6 m n r 钢及 焊缝金属的单轴棘轮应变。 关键词：1 6 m n r 钢循环塑性棘轮效应本构模型 a b s t r a c t n er a t c h e t i n go fm a t e r i a l sc o r r e s p o n d st op r o g r e s s i v ei n e l a s t i cd e f o r m a t i o n u n d e rc y c l i cs t r e s s i n g 1 1 1 er a t c h e t i n ge f f e c th a sa r i s e na b r o a dr e c o g n i t i o nb ys c h o l a r s a n dt h er e s e a r c ho nt h er a t c h e t i n gh a sb e c o m eah o t s p o t f o rt h el o wc y c l ef a t i g u eo f m a t e r i a l s ，m o s to ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e s c o n c e r ns t r a i n - - c o n t r o l l e dl o a d i n g r a t c h e t i n g 。ac y c l i c a c c u m u l a t i o no fi n e l a s t i cd e f o r m a t i o n ，w i l lo c c u ru n d e r a s y m m e t r i c a lc y c l i cs t r e s s i n g i ti se x t r e m e l yn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h er a t c h e t i n g e f f e c to nf a t i g u el i f e i no r d e rt or e a l i z ea n dp r e d i c tt h eu n i a x i a lr a t c h e t i n go f16 m n rs t e e l 。as e r i so f e x p e r i m e n ts t u d yw a sp e r f o r m e d o nt h eu n i a x i a ls t r a i nc y c l i n ga n du n i a x i a lr a t c h e t i n g d e f o r m a t i o no nt h eb a s e dm e t a la n dw e l dj o i n to f16 m n ru n d e ra s y m m e t r i c a ls t r e s s c y c l i cl o a d i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v es h o w n t h a t16 m n r s t e e li sac y c l i cs t a b l em a t e r i a l a sw e l dm e t a lh a sd e f e c t si n s i d ea n dt h ed e f e c t sw i l l i n c r e a s eu n d e rt h ec y c l i cl o a d i n g ，w h i c hw o u l dr e d u c et h es t r e n g t ho fm a t e r i a l ，t h u s w e l dm e t a ls h o w sc l e a rc y c l i cs o f t e n i n g t h eu n i a x i a lr a t c h e t i n gb e h a v i o r so ft h e m a t e r i a l sw e r es t u d i e di nd e t a i lu n d e rc y c l i cs t r e s s i n g 刀 ee f f e c t so fs t r e s sa m p l i t u d e a n dm e a ns t r e s so nt h er a t c h e t i n gw e r ed i s c u s s e du n d e ru n i a x i a la s y m m e t r i c a ls t r e s s c y c l i n g i ts h o w st h a tr a t c h e t i n gi n c r e a s e sw i t hm e a ns t r e s s a n ds t r e s sa m p l i t u d e i n c r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，t h ei n c r e a s i n gr a t c h e t i n gb r o u g h tf a t i g u ed a m a g e ，w h i c h r e d u c e df a t i g u el i f eo ft h em a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , t h em o d i f i e dm o d e lb a s e do no h n o - w a n gm o d e lb yc h e na n dj i a o w a su s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e dm o d e lp r e d i c tt h eu n i a x i a lr a t c h e t i n go f 16 m n rs t e e lw e l l k e yw o r d s ：16 m n r s t e e l ，c y c l i cp l a s t i c i t y , r a t c h e t i n g ，c o n s t i t u t i v em o d e l 前言 刖舌 从1 9 世纪中期w o h l e r 对车轴的系统研究，之后，材料和结构的疲劳问题已越 来越引起人们的重视，有关材料的疲劳研究己有一百多年的历史，材料疲劳已逐 步成为- - f l 重要的学科，深入到现代科学技术的各个领域。在现代工程的各个方 面，如汽车、飞机、轮船、机车车辆、工程机械、石油钻井设备、铁路桥梁、核 反应堆和发电设备等，其主要零件和构件，大多在循环变化的载荷作用下工作， 疲劳是其主要的失效形式。据统计，疲劳破坏导致的工程构件的失效事故比例达 7 0 。因此，材料疲劳研究的重要性受到广大科学工作者的重视。 棘轮效应是指金属材料或结构承受一个一次载荷并叠加循环载荷时所产生 的渐进变形，是在应力控制循环加载下二次变形的累积。它是工程实际中需要考 虑的一个重要问题，如：化工容器及管道的热棘轮，核反应堆的防震设计，轮轨 接触疲劳、紧固连接和密封技术等工程问题。由于棘轮效应累积造成的疲劳破坏 在工业生产中的重要性，因此准确有效的预测材料棘轮变形非常重要。从1 9 3 0 年以前提出的建立在金属塑性流动现象基础上的屈服条件到目前建立在深层次 塑性变形物理意义上的本构模型，塑性理论经历了一百多年的发展已经到达了一 个较高的水平。 对于材料低周疲劳行为，绝大多数的实验及理论研究都是在应变循环控制下 加载，对于有平均应力存在的应力控制循环加载下的低周疲劳行为研究较少。在 平均应力作用下产生了逐渐增长的棘轮变形，目前关于全寿命单轴棘轮效应的研 究非常少。 本文对1 6 m n r 钢以及焊缝金属，进行了应变对称循环实验以及一系列全寿命 单轴棘轮效应实验。通过实验，分析了平均应力的存在导致了疲劳寿命的缩短。 利用c h e n - j i a o 改进模型很好预测了不同平均应力及应力幅值下，1 6 m n r 钢及焊 缝金属的单轴棘轮效应。 符号说明 符号说明 口 背应力张量 妇背应力张量的增量 口，背应力分量 如，背应力分量的增量 口i背应力分量的模值 万，瓦，8 0 ， 改进模型中叠加系数，饱和值、初值和演化系数 应变张量 占。，占， 应变张量的弹性部分和塑性部分 如。 塑性应变增量 劫 塑性应变累积增量 y ，r t ，m ，0 一w 模型中材料常数 y 泊松系数 。 应力张量 c r 0材料的屈服应力 盯，轴向应力 轴向循环应力幅值 轴向循环平均应力 4 ，彳纽，彳f o ，屈m c d o w e l l 模型系数，饱和值、初值和演化系数 em c d o w e l l 模型中指数 e 弹性模量 ，0 - w 模型中关键状态方程 日塑性模量 忍 加载方向 墨 偏应力张量 凼偏应力张量的增量 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊妊 签字日期：吖年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：魂醒 导师签名： 拯 y 签字日期：h 叫年 月 ) 日 签字日期：卅年月沙日 第一章文献综述 1 1 关于疲劳 第一章文献综述 继w o h l e r 对钢材进行过的系统疲劳研究之后，材料和结构的疲劳问题己越 来越引起人们的重视，并进行了广泛的研究i l 圳。 疲劳是材料在循环载荷作用下发生破坏的现象。在现代工程的各个方面，如 汽车、飞机、轮船、机车车辆、工程机械、石油钻井设备、铁路桥梁、核反应堆 和发电设备等，其主要零件和构件，大多在循环变化的载荷作用下工作，疲劳是 其主要的失效形式。据统计，各种运动构件的破坏7 0 是由疲劳引起的，并且引 起疲劳失效的循环载荷峰值往往小于由静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。 无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不会发生明显的宏观 塑性变形。断裂通常是突然发生的，事先没有任何先兆，往往导致灾难性的事故。 鉴于这方面的原因，材料疲劳研究的重要性受到广大科学工作者的重视。从1 8 3 9 年法国巴黎大学教授p o n c e l e 首先使用“金属疲劳”的概念至今，有关材料的疲 劳研究己有一百多年的历史，材料疲劳已逐步成为一门重要的学科，深入到现代 科学技术的各个领域，涉及诸如材料科学、机械设计、力学、金属物理、应用数 学等众多学科。 疲劳可以按照不同方式进行分类。例如按受力方式的不同，可以分为弯蛆疲 劳、拉压疲劳、扭转疲劳和复合疲劳，按照载荷与时间的关系确定与否，可以分 为定常疲劳( 即载荷与时间有确定的关系) 和随机疲劳( 随机载荷作用下的疲劳) ； 按温度、介质和接触情况的不同，又可分为一般疲劳( 空气中) 和腐蚀疲劳、常 温疲劳和高温疲劳，接触疲劳和微动磨损腐蚀疲劳( 也称擦伤疲劳或咬蚀) 。除 此之外，构件由于急骤的受热和冷却产生很大的热应力循环而导致破坏则称为热 疲劳。目前的研究工作比较多的是按照破坏前材料所经历的载荷循环周次来划分 疲劳的形式： 低周疲劳：破坏循环次数低于1 0 5 的疲劳，又称低循环疲劳。其特点是作用 于构件的应力水平较高，材料处于塑性状态，应力和应变呈非线性关系。表征材 料低周疲劳性能的有应变寿命曲线和循环应力应变曲线，试验过程都是 采用应变幅控制，故低周疲劳又称应变疲劳。 高周疲劳：破坏循环次数在1 0 5 以上的疲劳。又称高循环疲劳。其特点是作 用于构件的应力水平低于材料的屈服强度，材料处于宏观弹性变形状态，应力和 应变呈线性关系，表征材料高周疲劳性能的是应力寿命曲线( 简称s - n 曲 第一章文献综述 线) 。高周疲劳受应力幅控制，故又称应力疲劳。因高周疲劳是各种机械中最常 见的，故又简称疲劳。 超高周疲劳：传统疲劳研究，受试验条件和试验设备载荷频率的限制，高周 疲劳研究范围常限于1 07 以内。随着现代工程技术的发展，各种动力机械的构件 在服役期实际承受的疲劳循环次数已远高于1 0 7 周。因此有关材料在1 07 周次以 上超长寿命下的疲劳行为研究开始引起人们的重视，为此将循环破坏发生在1 0 5 1 0 7 周次范围内的疲劳称为高周疲劳，而将循环破坏次数在1 07 周以上的疲劳 称为超高周疲劳。在超高周疲劳范围内，循环应力幅远低于材料的屈服强度。传 统疲劳研究认为材料在l o7 周次附近存在一个疲劳极限，构件载荷应力幅低于该 疲劳极限，材料寿命无限长。 1 1 11 6 m n r 钢的疲劳研究进展 1 6 m n r 钢是我国应用最广泛的压力容器用钢之一，已有多人对材料的常规 力学性能和断裂疲劳性能进行了试验研列y n ，积累了较多的试验研究数据。焊接 结构广泛应用于各种工业结构中，其低周疲劳性能的研究对结构的安全有着重要 的作用，因此对低周疲劳的研究有着广泛的应用价值。 范志超等【8 】研究了环境温度对1 6 m n r 钢应力疲劳的影响，结果表明，进行 1 6 m n r 钢不同温度应力控制下的脉动循环试验和s e m 分析。发现3 0 0 左右是 1 6 m n r 钢动态应变时效较为显著的温度，材料具有循环硬化、疲劳强度较高， 循环蠕变速率较小的特点，断口具有延性脆性综合特征，循环蠕变孔洞较少，循 环蠕变对材料疲劳不起主要的作用；当温度低于或高于蓝脆温度时，材料具有循 环软化、疲劳强度较低、循环蠕变速率较大的特点，循环蠕变对疲劳损伤起着加 速的作用，断口具有延性断裂特征，循环蠕变孔洞较多；但当温度接近材料再结 晶温度时，由于发生了再结晶，使断口韧窝和蠕变孔洞变浅、变小。他们又对 1 6 m n r 钢进行了中温低周疲劳研究【9 】，研究表明：材料在3 0 0 左右存在“篮脆” 现象，疲劳强度明显高于其他温度；在同一温度下，随着平均应力和应力幅度的 升高，材料的循环蠕变速率增大；在3 0 0 、4 2 0 两种温度环境下材料表现出 循环相关硬化和m a s s i n g 特性；a s m e 低周疲劳设计曲线适于1 6 m n r 钢3 0 0 时的 疲劳设计，但不适于4 2 0 时的疲劳设计。 w a n gxg 和j i a n gyy 等【i o 】对1 6 m n r 钢疲劳裂纹扩展进行了试验研究，标 准拉压试件在不同应力比和应力幅值下加载，试验在恒定应力幅下对三个有不同 尺寸环形缺口的试件进行加载。实验结果表明，应力比对材料裂纹的扩展几乎没 有影响；焊缝的尺寸对早期焊缝的裂纹扩展有很大影响。裂纹扩展率在逐渐减小 并且达到最小值之后，逐渐增加并且达到稳定值。在高低载荷分步加载过程中， 第一步高应力幅值加载阻碍了第二步低应力幅值下的裂纹扩展。庄力健等【l l j 对 2 第一章文献综述 1 6 m n r 钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展进行了试验研究及模拟，试验采用 3 8 r a m 厚带有圆形缺口的c t 试样，研究了1 6 m n r 钢在不同应力比的恒幅循环 载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩 展速率，将1 6 m n r 钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序u m a t 嵌入到 a b a q u s 中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应 变结果代入到疲劳损伤模型中，得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤 值。通过疲劳损伤准则，导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式，疲劳裂纹扩展 试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明，该试样厚度下，应力比对裂 纹扩展速率几乎没有影响。 徐鹏、周道祥等【1 2 研究了1 6 m n r 材料应变疲劳损伤与能量的本构关系。通 过实验导出了新损伤变量下的损伤本构方程和裂纹扩展速率公式。杜洪奎等【l 3 】 研究了低周疲劳下的1 6 m n r 微孔的裂纹萌生与扩展。研究表明裂纹的萌生机制： 滑移带启裂和疏松带启裂，前者由剪应力起主要作用，后者由正应力起主要作用。 g o n g 等【1 4 谴过高应变低循环疲劳试验模拟强地震状况以及利用e l c e n t r o 地 震波谱绘制显微照片研究普通压力容器用钢1 6 m n r 的疲劳性能。h o n g 等【l5 】进 行了等幅荷载下1 6 m n r 疲劳裂纹增长的统计分析，得到了疲劳裂纹增长的统计 数据。由实验数据知，在已知累计载荷循环数或载荷循环数分布时，就可以确定 裂纹的大小。 1 1 21 6 m n r 钢焊接接头疲劳研究进展 随着焊接工艺的发展和普遍应用，越来越多的学者对1 6 m a r 的焊接接头进 行了大量的研究【l 睨。陈旭等 2 2 3 对1 6 m n r 钢焊接接头低周疲劳性能进行了研究， 结果表明，对手弧焊、c 0 2 气体保护和心气体保护焊3 种焊接方式的1 6 m n r 钢 焊接接头进行了低周疲劳试验比较，研究表明焊材比母材有较大的强化，3 种方 法的低周疲劳寿命没有明显的差异；在恒应力幅值下单轴拉伸载荷阻碍了裂纹的 扩展。 杨冰等1 2 3 】对1 6 m n r 钢焊接头概率循环应变寿命模型进行了分析。综合利用 不同试验条件下的试验数据，提出了合理的材料与结构概率设计分析曲线。模型 用概率三参数幂指数模型表征，同时考虑了试验数据分散性和样本量对概率评价 的影响，包含了存活概率曲线、置信度曲线和两者融合曲线，可为工程实践提供 广泛的选择性。作为比较，相应给出了1 6 m n r 钢母材的各曲线参量，得到了 1 6 m n r 钢标准光滑圆棒和漏斗形试样母材、焊缝、熔合区、热影响区及c 0 2 焊 接头、缸焊接头和手工焊接头在三角波加载模式、对称循环条件下的试验数据。 通过对试验数据进行比较，结果表明母材试样数据明显偏高，而其它试样数据的 分散性较大，相互交错，难分彼此。由此可见1 6 m n r 钢母材抵抗疲劳失效能力 第一章文献综述 高于焊接头。两者宜分开处理；焊接头及其局部区域抵抗疲劳失效能力的随机性 明显，但彼此差异不大，工程实践中可不区别局部性的影响。 于琴等【2 4 1 采用动态冲击试验，研究1 6 m n r 焊接接头在高速冲击加载条件下 的断裂韧性，并分析了其影响因素以及断口形貌。试验结果表明：随冲击速度增 大，焊接接头的冲击韧性明显下降；在动态冲击载荷作用下，试样的断裂以脆性 断裂为主，焊接接头整体趋向于硬脆。对承受动态冲击载荷的焊接接头进行安全 设计时，应特别重视焊接接头的冲击韧性。 段权等【2 5 】通过研究压力容器用16 m n r 钢焊接接头疲劳裂纹扩展规律，发现 微观组织的不均匀性将导致焊接接头在力学上具有不均匀性，疲劳裂纹萌生和扩 展寿命的随机性很大。采用可靠性分析方法，研究了焊接接头疲劳失效概率模型。 1 2 棘轮效应研究现状 近二十年来，学者们发现金属材料在非对称应力循环下会产生塑性应变累积 现象，即棘轮行为，而这种累积可能导致结构疲劳寿命减少或变形超过限制而不 能正常工作，因此像压力容器、核反应堆的管道、轮轨接触、紧固连接和密封技 术等工程问题中都需要考虑棘轮变形的影响。目前已有学者在单轴、多轴、室温、 高温等非对称应力循环实验条件下讨论了平均应力、应力幅值、加载历史、加载 路径及温度对于棘轮行为的影响 2 6 - 3 0 。国际上对棘轮变形的定义有三种形式： q = ( 气+ - r ) 2 ( 1 - 1 ) 式中，鼠和反可表示为： 塑性应变 e r ( l ) = 。t ( 。j n ) 一仃r t 犯) e ( 1 - 2 ) 峰、谷值总应变 占足( 工) = s 。t ( 血) ( 1 3 ) 峰值总应变 占盂( 工) = 占三雎 ( 1 4 ) 上式中上标t 表示材料变形和应力的真实状态，真应变和真应力分别表示为： o j = l n ( 1 + 6 ) ，o r = o ( 1 + d 。、动材料的工程应力应变：，m 毅( m 。) 表示一个循环 周期内的最大( 最小) 真应变，而，剐l ) 则表示最大( 最小) 折返工程应变对应 的真应力。在文献 3 1 】中表明，上述三种棘轮应变的定义都能反映塑性变形的累积。 在本文中，为方便与蠕变应变的比较，棘轮应变定义为峰值总应变，即式( 卜1 ) 和( 1 - 4 ) 的形式。 在循环前几周中，黏塑性在棘轮应变的增长中占主要部分，它随循环次数的 4 第一章文献综述 增长而迅速衰减，因此黏塑性导致了上述应变率突变。在循环后期，滞回环微小 的不封闭性是棘轮应变缓慢增长的主要原因。棘轮应变率： 或= d 6 r d n( 1 5 ) 对于某些材料，如不锈钢等出现棘轮安定现象，即在一定循环次数后，几乎 没有棘轮变形累积发生；而对于另外一些材料，如某些中碳钢则不会发生棘轮安 定现象，即棘轮变形则一直随循环次数逐渐增长。棘轮行为表现出明显的率相关 性，这意味着在较高的应力速率下产生的棘轮应变要大于在较低应力速率下的棘 轮应变。材料的循环硬化和软化行为对材料的棘轮行为有显著影响。一般说来循 环硬化行为可以降低材料的棘轮应变，而循环软化材料使棘轮应变增加。棘轮门 槛应力值d 嘲：也就是说存在某一个值，当峰值应力低于此值时材料不会产生棘 轮应变。对于不同材料，a k 是材料的一个特性参数【3 2 】，并一般认为材料的棘轮 门槛值为0 9 d o 2 ，对实验有一定参考意义。 棘轮应变的积累可能导致疲劳寿命的减少，或超过变形的限制而使结构不能 正常工作。由于一次载荷大小的不同，应变经过一个快速初始棘轮应变累积后， 将可能出现安定或渐进棘轮效应两种情况。根据应力状态的不同，棘轮效应可分 为单轴棘轮效应和多轴棘轮效应。单轴棘轮效应是指在平均应力方向上产生的循 环塑性应变累积，应力应变滞环的不封闭性是产生单轴棘轮效应的直接原因；多 轴棘轮效应是指材料在承受多轴载荷作用下产生的棘轮效应，产生棘轮效应的方 向可以是一个方向，也可能是多个方向，这不仅和平均应力有关，也和加载的路 径有关 3 3 】。 棘轮效应是工程实际中需要考虑的一个重要问题，建立在核设计规范基础上 的压力容器强度设计均要求棘轮效应分析，如美国a s m ec o d es e c t i o n ，德 国规范k t a 和法国规范r c c m m r 。随着先进试验设各的出现( 新型m t s ， i n s t r o n 等) ，国外许多学者己对棘轮效应进行了大量的研究，单轴和多轴棘 轮效应的预测取得了较大的进展。 c h a b o c h e 等m j 对室温下3 1 6 l 不锈钢的研究表明：应力幅不变时，给定循 环次数下的棘轮应变与平均应力之间具有非线性关系。并且，经历了较大平均应 力加载循环后，后继较小平均应力( 应力幅不变) 循环加载时会出现负向的棘轮 率，即先前较大平均应力循环下的累积塑性应变被削减。当应力幅比较大而平均 应力比较小时，棘轮应变经过衰减阶段后会很快产生棘轮安定。保持应力幅不变 而增加平均应力，相同循环次数时衰减阶段的棘轮应变值将增加；当平均应力增 加到一定程度并进一步提高时，棘轮的安定状态被改变，棘轮应变率开始趋于常 数，并且此常数棘轮应变率随着平均应力的增加而增加。 c h a b o c h e 和n o u a i l h a s 3 5 1 通过对单轴棘轮的大量试验与理论研究，将各种加 5 第一章文献综述 载条件下发生的棘轮效应分为两类：准反复条件( q u a s i r e v e r s a lc o n d i t i o n ) ，即 平均应力与应力幅值相比要小得多；准重复条件( q u a s i r e p e a t e dc o n d i t i o n ) ，平 均应力相对较大，材料在卸载时未进入塑性，在这种情况下材料由于粘性( 即蠕 变) 而发生非弹性变形。率无关经典塑性理论通常不考虑蠕变的影响，结合这类 模型所进行的试验大都属于c h a b o c h e 和n o u a i l h a s 所界定的第一类棘轮变形。 h a s s a n 等 3 6 1 对c s l 0 2 0 钢和c s l 0 2 6 钢进行的单轴棘轮试验表明：应力幅不 变时，增加平均应力将导致棘轮应变率提高，材料的棘轮应变率经过初始的衰减 阶段后表现为恒定的常数，平均应力为负值时棘轮应变率也为负值，并且棘轮应 变率的绝对值经过初始循环阶段的衰减后仍然表现为常数。应力幅的增加也将导 致棘轮应变率的增加。 随后，h a s s a n 和k y r i a k i d e s 【3 ”对循环强化和循环软化材料的棘轮效应进行 了研究，发现循环硬化使棘轮效应减弱，而循环软化使棘轮效应增强，在多轴条 件下还与加载的历史和路径有关，非比例的加载路径对循环硬化有很明显的影 响，但对循环软化的影响并不明显。 j i a n g 等p 8 j 首次对多载荷步1 0 7 0 钢的棘轮效应进行了试验研究，指出1 0 7 0 钢具有很强的记忆效应，加载历史对材料后续棘轮效应产生很大的影响。虽然单 步棘轮应变方向与平均应力方向一致，但这_ 结论对于多步加载并不成立。在应 力幅值不变的条件下，当材料先受到较大的平均应力作用，将平均应力减到很小 做后续的试验，会发现棘轮应变沿与平均应力相反的方向增长。可以认为，h a s s a n 等，h a s s a n 和k y r i a k i d e s ，j i a n g 等所进行的试验都属于c h a b o c h e 和n o u a i l h a s 所定义的准反复条件，材料的棘轮应变都是伴随循环塑性应变发生的。 陈旭等【3 9 j 对i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢进行了多轴棘轮效应及典型的非比例循环试 验研究，表明1 c r l 8 n i 9 t i 钢是循环强化材料并表现出明显的非比例循环附加强 化。在多轴棘轮试验中，应变幅值、轴向载荷大小及方向对材料强化性能、轴向 应变、棘轮应变率有着明显影响。 通过这些研究，对金属材料的棘轮效应的基本特性有了一定的了解，从现有 的研究成果中可以知道：( 1 ) 材料的循环硬化和循环软化行为对材料的棘轮行为 有显著的影响。一般来说循环硬化行为可以降低材料的棘轮应变率，而循环软化 材料使棘轮应变率增加。( 2 ) 对于材料的单轴棘轮变形，应力应变滞环的不封 闭是产生单轴棘轮效应的直接原因，而滞回环在拉伸和压缩方向上的差异由各向 异性的应变强化引起。对于多轴棘轮效应，产生棘轮应变的方向可以是一个，也 可能是多个，这不仅与平均应力有关，也与加载路径有关。多轴棘轮应变是非比 例多轴循环下塑性流动的结果，这种塑性流动也是显著的受到各向异性的应变强 化的影响。( 3 ) 材料的多轴棘轮行为除了与平均应力和应力幅值及其历史。相关 外，还依赖于加载路径。( 4 ) 对于某些材料，如不锈钢等出现棘轮安定现象，即 6 第一章文献综述 在一定循环次数后，几乎没有棘轮变形累积发生；而对于另一些材料，如某些中 碳钢等则不会发生棘轮安定现象，即棘轮变形一直随着循环次数逐渐增长。( 5 ) 棘轮行为表现出明显的率相关性，这意味着在较低的应力速率下产生的棘轮应变 要大于在较高的应力率下产生的棘轮应变。 许多学者对其他类型材料，如纤料合金、聚合物、复合材料等都开展了棘轮 实验研究，并观察到一些新的实验现象。y a n g 掣删和c h e n 掣4 l j 对6 3 s n 3 7 p b 纤料合金在室温下进行了单轴和多轴棘轮实验，结果表明：由于受到材料循环软 化特性的影响，棘轮应变以一个比较高的增长率持续增加。对于循环软化材料 k a n g 4 2 】和t a k a h a s h i 4 3 】揭示了棘轮变形的三阶段演化特征明显不同。根据棘轮应 变率的不同，材料的棘轮演化可分为三个阶段：第一个阶段，棘轮应变率随循环 次数而逐渐降低；第二阶段，棘轮应变率基本保持为常数，棘轮应变稳定增长； 第三阶段，棘轮应变率和棘轮应变均表现出加速增长的趋势，试样在很少的循环 次数内就因过大的棘轮应变而发生延性破坏。k w o f i e l 4 4 对于循环硬化的多晶铜也 观察到类似的三阶段棘轮应变演化规律。对于金属基复合材料，j a n s s o n 和 l e c k i e t 4 5 1 ，d a e h n 等1 4 6 ，z h a n g 等【4 7 4 8 】分别在对连续纤维增强、颗粒增强和晶须增 强复合材料的承受恒定应力和循环变化的温度实验中观察到棘轮现象。最近， k a n g 4 9 】以及k a n g 和l i u 掣5 0 】对s i c 颗粒增强的复合材料在室温和高温下进行了 大量的单轴和多轴循环实验，讨论了复合材料的棘轮效应及其时间相关性，分析 了复合材料的颗粒体积分数、不同的热处理工艺、加载水平、环境温度和一些时 间因素等对棘轮效应的影响。另外，一些学者还对聚合物的棘轮效应进行了研究， c h e n 等【5 l 】给出了p t f e 聚合物材料在单轴压缩应力循环下的一些棘轮效应的实 验结果，研究表明聚合物的非线性粘弹性是产生棘轮应变的原因，其棘轮应变同 样依赖于加载速率，平均应力和应力幅值。 棘轮应变不仅会造成过大的塑性变形，使得构件几何尺寸超标，导致构件提 前失效，另一方面，循环中产生的疲劳损伤也会使材料抗变形能力下降，从而加 速棘轮应变的演化。因此在对承受非对称载荷循环的构件进行安全评估时，应该 同时考虑棘轮应变和疲劳损伤以及棘轮疲劳之间的交互作用。传统的对称应变 循环下的低周疲劳并没有考虑棘轮应变的影响。并且已有的棘轮行为研究大多只 关心材料的循环变形行为，涉及循环次数较少，没有考虑安全寿命下的棘轮行为 特征和长周次循环下疲劳损伤对棘轮行为的影响。最近，棘轮效应对疲劳寿命的 影响以及棘轮疲劳交互作用得到国内外研究者的关注，已有学者开展了一些试 验研究共做。x i a 等i s 2 】，r i d e r 等【5 3 】，y a n g 掣5 4 】对低碳钢e n 3 、低合金钢e n l 9 、 a s t ma 5 1 6 g r 7 0 钢和4 5 # 碳钢的研究表明，材料的棘轮变形对应力循环下的低 周疲劳寿命有较大影响，循环中发生的棘轮应变造成了附加的材料损伤，缩短了 材料的疲劳寿命，并发现疲劳寿命随平均应力的增加而单调下降。k w o f i e p 习对纯 7 第一章文献综述 铜在非对称应力循环下的低周疲劳寿命研究却发现低周疲劳寿命随平均应力的 增大而提高。t a o 等【5 6 】对环氧聚合物的实验表明，由聚合物的粘弹性所产生的棘 轮应变对材料的疲劳寿命影响微弱。由此可见，棘轮对疲劳寿命的影响同材料类 型密切相关。 1 3 本构模型的研究 材料的本构关系是指材料在承受外界环境作用( 外力，温度，能量等) 下材 料所表现出来的应力和应变之间的关系。为了描述金属材料各种复杂的实验现 象，人们已经建立了各种循环塑性和粘塑性本构模型。在本构模型的建立和发展 中存在两种不同的方法：一种以研究金属的宏观塑性特性为出发点，将金属看成 连续体，以若干实验数据为基础，以一些基本假设为前提，建立唯象学本构模型。 这类模型的优点在于数学计算上比较直观，能反映实验结果的主要特性，模型的 常数只需要简单的宏观实验即可确定，但由于在模型的建立过程中并不深入研究 材料变形过程的物理本质，因此这种在唯象基础上建立的塑性本构模型只能在一 定的范围内获得合理的近似结果。另一种物理塑性本构模型，它是从深入了解材 料塑性变形的物理本质出发，探讨塑性宏观现象和它的微观机理间的内在联系， 并在此基础上建立宏观和微观相结合的塑性本构模型。这类模型虽然可以在微观 机理的层次上更真实的反映材料的宏观塑性特性，然而这类模型往往比较复杂， 对实验研究的技术和水平要求较高，模型常数的确定也很困难。 在实验研究的基础上，棘轮效应的本构描述也得到了很大的发展。目前应用 比较广泛、能够描述棘轮效应的循环本构模型主要可分为两类 5 7 , 5 s 类以 b e s s e l i n g t 5 9 】和m o r z 删等提出的多面模型为基础，由d a f a l i a s 和p o p o v 6 1 】进一步 简化得到的双面模型，这一类模型，塑性模量的计算只间接地受模型所用的随动 硬化律的影响，但不通过一致性条件与随动硬化律耦合，塑性模量通过其他方法 求得，称为非耦合模型：另一类模型是建立在a r m s t r o n g f r e d e r i c k l 6 2 】非线性随动 硬化模型为基础上，后来由c h a b o c h e 掣3 4 1 、o h n o 等【6 3 脚】、j i a n g 等1 6 5 , 6 6 】发展和 改进，这一类本构模型，塑性模量是通过一致性条件得到的，称为耦合模型。 材料和结构的棘轮行为依赖于很多因素，包括平均应力、应力幅值、加载频 率、加载历史以及材料的微观结构等。因此，要准确描述和预测棘轮应变防止棘 轮效应仍然是个非常困难的问题，目前也没有本构模型有能力预测较长循环周 次的棘轮应变累积，还需要进一步的实验研究。 m r o z 双面模型是以b e s s l l i n g 和m r o z 多曲面模型为基础，由d a f a l i a s 和 p o p o v 进一步简化得到的非耦合性本构模型，它用双曲面代替了m r o z 多曲面理 论中的一组相互嵌套但不相交的曲面。双面模型主要通过屈服面和极限面的演化 8 第章文献综述 来描述材料的流动特性和强化特性。这类模型的塑性模量的计算只间接地受模型 所用的强化率的影响，和随动强化律没有耦合关系。另一类模型是建立在非线性 a r m s t r o n g - f r e d e r i c k 强化律基础上的耦合性模型。在这一类模型中，塑性模量 不具有独立性，而是通过一致性条件由所用的强化律得到。a f 类模型是在统一 塑性本构模型的框架下发展起来的，这一类模型重点对背应力的演化，即随动强 化律进行了描述。在最近十五年内，许多学者围绕背应力的演化关系展开研究， 为此做出了突出的贡献。由于a f 类模型在描述材料棘轮行为方面具有优势，下 面重点介绍a f 类模型。 1 9 6 6 年，a r m s t r o n g 和f r e d e r i c k 【6 2 】在线性随动强化律的基础上引入了一项 动态恢复项，得到了非线性的随动强化律( a f ) ： d = c 宅p 一”眵( 1 6 ) 11 t 2 力2 争_ 扩j ( 1 - 7 ) j， 、 对于平均应力不为零的单轴循环，a f 模型中的动态恢复项在加载和反向加 载时不相等，使加载和反向加载的应力应变曲线形状不对称从而模拟了棘轮效应 的产生，但模拟的棘轮应变率为常数。对于多轴情况，a f 模型总是过高的预测 了棘轮效应，但是它是非线性随动强化律的基础，此后许多模型都是在其基础上 改进得到的。 1 9 8 9 年，c h a b o c h e l 3 4 1 首次提出了叠加模型来描述棘轮效应，将几个a f 方 程叠加： 占 a 2 乙a f( 1 - 8 ) d ，= c ，宅，一以n 。p ，o = 1 3 )( 1 9 ) ， 矗。= c 。宅，一y 4 ( q 。一y ) p( 1 1 0 ) 但是仅用以上三个强化律，在描述应力应变曲线与棘轮效应时往往不能两 全，所以提出了一个完备模型，即由以上三个强化律和r o u s s e h i e r l 6 7 】强化律并考 虑各向同性强化以及记忆效应叠加的模型： 1 y = ( n 4 一y ) j ( a 。) ( 1 1 1 ) 4 这一模型对应力应变曲线有很好的描述，但是对最初的几个循环这一模型仍 然过高的预测了棘轮应变。 为了更好的描述棘轮效应，1 9 9 1 年，c h a b o c h e 3 4 在模型中叠o u t 带有门槛 值的第四强化律： 9 第一章文献综述 睁秘p 一心 c ，2 ， 多轴系数万引入了一个和塑性应变累积相关的演化方程，使得改进后的模 型保持了0 w 模型对应力应变曲线和单轴棘轮效应很好预测的优点，同时很好 的改进了o - w 模型对多轴棘轮效应的预测。这一模型对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢和 c s l 0 2 6 钢在多轴加载路径下的棘轮效应给出了很好的预测。 1 4 现有研究工作的不足 尽管近2 0 年来在金属材料棘轮行为和低周疲劳的实验和理论研究方面取得 很大进步，但仍存在一些不足，主要有以下几点： ( 1 ) 实验研究不够系统和全面。大多数对材料的棘轮行为的实验研究涉及的 循环次数较少，没有考虑疲劳损伤对棘轮行为的影响；而多数低周疲劳实验针对 第一章文献综述 应变控制循环下的加载工况，没有考虑非对称应力循环下的棘轮行为对疲劳损伤 的影响。 ( 2 ) 尽管对1 6 m n r 钢及焊缝金属的棘轮行为已有一些实验研究，但是仍缺乏 对1 6 m n r