（固体力学专业论文）重型机械疲劳损伤断裂的近代理论与识别技术.pdf

硕士生：陈世昌 ( 签名) 臣纽堕趁 指导教师：杨文哲( 签名)燃 摘要 本文针对疲劳损伤理论中的几个基本问题，采用微观和宏观相结合的方法，把疲劳 损伤微观机制与宏观疲劳特性的实验结果结合起来，分析了金属材料的疲劳损伤特性， 并总结了衡量金属疲劳损伤的特性参数；建立了新的累积损伤模型。同时研究了金属焊 接构件在温度、交变载荷综合效应下的疲劳损伤断裂机制，并根据金属焊接构件的损伤 机理对其寿命作了理论预测，并建立了金属焊接构件低周疲劳寿命模型。 首先，根据著名的m i n e r 理论对金属构件的疲劳损伤特性作了理论分析，但由于疲 劳问题的复杂性，实际工程中出现的问题有时与理论预测的结果不符，本文依据传统的 疲劳累积损伤理论，分析了循环载荷对金属构件造成损伤与构件实际所受损伤之间的关 系，并引入新的概念一损伤效应，建立了新的模型一金字塔模型，得到新的系数一损伤 系数。通过分析得出真实损伤与理论损伤之间的差异，并为金属构件的疲劳寿命分析、 预估提供了一种理论参考。 其次，将金属疲劳损伤分析的结果结合焊接接头的力学行为特征，分析了金属焊接 接头的疲劳损伤行为。本文以1 6 m n r 低碳钢为分析背景，通过大量的实验获得其力学 性能参数，并与本文提出的模型相结合，建立了损伤变量的测量关系式、新的低周疲劳 损伤模型，同时通过金相分析，得出了焊接接头微观疲劳损伤断裂机理。 最后，对金属强度、疲劳损伤寿命作了理论分析，并建立了金属材料疲劳裂纹萌生 尺寸计算公式，焊接接头疲劳裂纹扩展寿命计算公式，同时分析了新模型在疲劳裂纹扩 展阶段的应用等问题。 关键词：损伤效应；累积损伤模型；焊接接头：寿命预测 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：t h el a t e r - d a yi d e n t i f yt e c h n i q u e sa n dt h e o r i e so ft h ef a t i g u e d a m a g e f r a c t u r ea b o u th e a v ym a c h i n e s s p e c i a l t y ： s o l i dm e c h a n i c s n a m e ：c h e ns h i c h a n g i n s t r u c t o r ：y a n gw e n z h e ( s i g n a t u r e ) 巴幺：! 丝丝形 ( s i g n a t u 代) 丑受垄丝赴。 a b s t r a c t i nt h ep a p e r , s o m eb a s i cp r o b l e mi nt h et h e o r yo ff a t i g u ed a m a g ea r ed i s c u s s e d 、i t l lt h e m e t h o do fm i c r o c o s m i ca n dm a c r o s c o p i c a l l y ，a n dw i t h u n i t i n g t h e f a t i g u ed a m a g e m i c r o c o s m i ct h e o r ya n dm a c r o s c o p i c a l l yf a t i g u ee x p e r i m e n t a t i o nt oa n a l y z ef a t i g u ed a m a g e o f t h em e t a l l i cm a t e r i a la n dt os u m m a r i z et h ef a t i g u ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ，e s t a b l i s han e w f a t i g u ed a m a g em o d e l s i m u l t a n e i t y t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dc y c l i cl o a d sa b o u tt h e f a t i g u ed a m a g ef o rm e t a l l i cc o m p o n e n ta r ed i s c u s s e d ac o r r o d i n gt ot h et h e o r yf o r e c a s t i n g t h el i f es p a n sa n de s t a b l i s h e st h ef a t i g u el i f e t i m em o d e lf o rb a s i co f t h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n f i r s t l y ，ac o r r o d i n gt ot h ef a m o u sm i n e rt h e o r y ，w h i c ha n a l y z ef a t i g u ed a m a g eo ft h e m e t a l l i cc o m p o n e n ta n de s t a b l i s ht h em i n e rm o d e l b u t ，i no n rp r a c t i c e ，t h e r ei sad i f f e r e n c e b e t w e e nm i n e rm o d e la n df a c t s o ，i nt h ep a p e r ，a n a l y z et h ed a m a g er e l a t i o nb e t w e e nt h e o r y c o m p o n e n ta n df a c tc o m p o n e n tb yc y c l el o a d s ，a n dd e f i n ean e wc o n c e p t i o nw h a td a m a g e e f f e c ti s ，e s t a b l i s han e wm o d e lw h a ti sp y r a m i dm o d e l ，e s t a b l i s han e wc o e f f i c i e n tw h a ti s d a m a g ec o e f f i c i e n t ，w h i c ha p p r o v et h a tt h ed i f f e r e n c ee x i s tb e t w e e nt h er e a ld a m a g ea n d t h e o r yd a m a g ei no u rp a p e r ，a n ds u p p l yab a s i ct h e o r ym o d e lf o ra n a l y s i st h el i f e t i m e s e c o n d l y ，a n a l y z ef a t i g u ed a m a g ec h a r a c t e r i s t i co f t h em e t a l l i cw e l d e dj o i n ta c c o r d i n gt o t h em e t a l l i cf a t i g u ed a m a g er e s u l ta n dw e l d e dj o i n tc h a r a c t e r i s t i c i nt h ep a p e r ，t h i sb a s e do n 1 6 m n ra l l o ya n dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt ot a k et h em e c h a n i cp a r a m e t e r e s t a b l i s han e w d a m a g ep a r a m e t e r ，an e wl o wc y c l el o a df a t i g u ed a m a g el i f e - s p a nm o d e lo fw e l d e dj o i n t ，a n d a n a l y z et h ef a t i g u ed a m a g et h e o r yo f t h em e t a l l i cw e l d e d j o i n tb ym e t a l l o g r a p h y t h el a s tt o a n a l y z et h em e t a l l i cf a t i g u es t r e n g t ha n df a t i g u ed a m a g el i f e t i m e ，a n d e s t a b l i s ht h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o ne q u a t i o n ，f a t i g u ec r a c ke x t e n de q u a t i o na b o u tt h em e t a l l i c w e l d e dj o i n t ，a n da n a l y z et h en e wm o d e la p p l i c a t i o ni nt h ef a t i g u ec r a c ke x t e n d k e y w o r d s ：d a m a g ee f f e c tf a t i g u ed a m a g em o d e l w e l d e d j o i n t l i f et i m ep r e d i c t i o n t h e s i s ：t h e o r i e sr e s e a r c h e d 主要符号表 主要符号表 注：以下为一些变量的计! i t 公式： 一f 0 5 2 + 0 2 s s ( 。) 一知m 侧e ) t ! o 。r j 9 】l t = 0 4 1 3 e i 卜( 能广9 - 咖i 9 9 i i i 西要料技夫攀 学位论文独创性说明 y 9 2 3 0 2 9 本人郑重声明：所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 啉砌厶月绷 f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签泓参 指导教师签名： ，o 彳年牛月z 莎日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 1 1 1 疲劳损伤概述 一个固体在外力的作用下断裂成两部分或更多块，这是日常生活、工程与自然界中 的一个普遍现象，看起来如此简单的一个现象，其本质迄今并未完全认识透彻。其中的 现象不仅涉及固体力学( s o l i dm e c h a n i c s ) 、损伤力学( d a m a g em e c h a n i c s ) 、断裂力学 ( f r a c t u r em e c h a n i c s ) 等学科，而且涉及材料、使用环境等方面的内容，尤其反映机械在交 变载荷、温度等综合因素影响作用下的一种损伤断裂行为。 损伤力学与断裂力学、疲劳分析理论全都属于破坏力学，是研究物质不可逆的破坏 过程的学科。从狭义上说，损伤力学是使用宏观理论解决微观断裂力学，也就是利用宏 观理论分析与解决在宏观裂纹出现以前的微观缺陷、微裂纹、微孔穴的发生与发展过程 的学科：从广义上讲，损伤力学研究的是由原始材料或构件存在的微观缺陷发展到出现 宏观裂纹的一段过程；而断裂力学处理的是由出现宏观裂纹直到断裂的下一段过程，既 研究的是集中于一处的裂纹直至发生断裂的过程。长期以来疲劳分析和材料使用寿命估 算主要是依靠大量收集的实测与实验数据以及经验公式，缺少可供利用的理论工具。损 伤力学提出了有关这些方面的基本理论，描述疲劳损伤和其他损伤的数学模型以及分析 方法。在使用中可以解决不少仅仅依靠数据与实验所不易解决的问题，如各种非线性累 积问题：包括不同载荷，加载次序，以及蠕变和疲劳的非线性干扰问题。长期以来，国 内外理论工作者不断的深入研究与实验，使疲劳、损伤、断裂理论快步向前发展，逐渐 形成一个不断完善与健全的理论体系，在解决各种工程问题中，逐渐的显现其正确与合 理。 1 1 2 重型机械疲劳损伤的研究背景 重型机械发生损伤断裂是因为局部结构中有裂纹存在，而裂纹萌生并扩展到足以引 起断裂的原因则很少不是由疲劳引起的。人们认识和研究疲劳问题，已经有1 5 0 年的历 史。在不懈地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中，对疲劳的认识不断的得到修正和深化。 以下是引自美国实验与分析协会对疲劳的定义1 1 1 ：在某点或某些点承受扰动应力，且在足 够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化 的发展过程，称为疲劳。由此定义可知，金属发生损伤断裂的前提是出现疲劳，疲劳的积累 达到一定的限度就会出现结构的失效，即断裂。二次世界大战期间美国制造的全焊接船 西安科技大学硕士学位论文 舶，有近千艘出现开裂，2 0 0 余艘发生严重断裂破坏。1 9 5 2 年，第一艘喷气式客机( 英 国的彗星号) 在试飞3 0 0 多小时后投入使用，1 9 5 4 年1 月一次检修后的第4 天，客机在 飞行中突然失事坠入地中海。打捞起残骸并分析研究后的结论认为，事故是由于压力舱 的疲劳破坏引起的，疲劳裂纹起源于机身开口的拐角处。2 0 世纪8 0 年代初，美国众议 院科技委员会托国家标准局进行了一次关于断裂所造成的损失的大型综合调查。报告指 出，断裂使美国一年损失1 1 9 0 亿美元，占1 9 8 2 年美国国家总产值的4 。遭受损失最 严重的三个行业是：车辆业( 1 2 5 亿美元年) ，建筑业( 1 0 0 亿美元年) ，航空业( 6 7 亿美元，年) 。1 9 8 4 年国际疲劳杂志发表的国际民航组织涉及金属疲劳断裂的重 大飞行失事调查指出：8 0 年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡的重大事故，平均每 年1 0 0 次。2 0 世纪的晟后1 0 年，尽管安全水平有了进一步提高，但世界民航每年发生重大 死亡的飞行事故次数仍在4 8 到5 4 次之间。1 9 9 9 年，发生飞行死亡事故次数为4 8 起，事故 死亡人数为7 3 0 人。疲劳也是引起工程结构和构件失效的最主要的原因，工程实际中发 生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5 0 9 0 ，疲劳损伤断裂是机械结构失效的最常 见形式。因此，由疲劳引起的损伤断裂在工程失效中越来越突出。如何防止重型机械结构 在使用中发生损伤断裂，减少在工程中的经济损失是力学工作者长期以来需要研究并解 决的课题。 随着钢铁工业的发展，金属材料的应用逐渐深入到人们生活的各个方面来，金属框 架、钢铁桥梁、压力容器、机械设备、运输设备、生产设备等等已经与金属结下了不解 之缘，然而在使用中，金属构件的连接问题便又为工程师、专家们提出了新的问题：如 何连接金属构件，并保证连接的紧密性和可靠性。这样以来又推动了铆接技术在金属构 件连接中的发展。在长期的使用中发现，铆接技术不能满足部分行业在发展中对金属结 构连接的需要，然而，又推动了焊接技术的出现，随着焊接技术的不断成熟，焊接工业 的发展，焊接结构在现代工业中广泛应用，如机械工程、桥梁工程、建筑工程、压力容 器、传播工程、电子工程以及尖端的航天、海洋和核动力工程等领域。由于焊接结构具 有用料省、重量轻、适合于制成形状复杂的结构以及制造成本低等优点，因而在世界主 要的工业国中，每年生产的焊接结构约占全部钢产量的5 0 以上。但是，焊接结构的疲 劳损伤和断裂问题又成为工程界所关注的焦点。据资料统计，7 0 以上的机械失效是由 疲劳断裂而引起的，而疲劳断裂往往发生在焊接结构区域。因此，焊接区域疲劳问题的 研究一直受到国内外的广泛重视。 1 1 3 重型机械疲劳损伤的研究意义 随着社会经济不断的向前发展，人们生活节奏的日益加快，社会基本矛盾仍然存在； 提高效率、节省资源、利用现有的条件以最大的可能来刺激经济的快速向前发展来满足 人们日益增长对物质的需求仍是当前的主要矛盾。然而，经济的发展、人们生活水平的 1 绪论 提高离不开工业的大发展，工业是国民经济的命脉，是一国经济强大的标志，是一国军 事国防行业发展的重要基础。目前我国的工业正处在一个逐步完善的阶段，采矿业、汽 车业、建筑业、制造业、航空航天事业、桥梁隧道等等相关行业正在逐渐走向正规化、 成熟化阶段。随着技术的成熟与发展，所面临的问题也随之出现：铁制的矿山升降机链条 抗疲劳问题、火车前轴的疲劳破坏问题、锻铁制的铆接梁疲劳损伤问题、剪力墙抗疲劳 问题、压力罐的承压抗破坏问题、机械设备在高重复载荷及变温运载情况下的疲劳破坏 问题等等仍然是各行业中热切关心的问题。而这些问题的出现都是由于一小部分结构发 生疲劳损伤而引起的，以至于最终发生断裂造成整个机械破坏，不仅影响生产的正常进 行，甚至造成生命的危险。所以，研究机械疲劳破坏及损伤断裂有着重要的价值与意义。 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 金属的疲劳破坏，是一个由损伤累积、裂纹萌生、裂纹扩展到最后断裂的渐进过程。 各个阶段都有着各自的规律和特性。1 8 7 0 年w o h l e r 在系统研究车轴疲劳现象的基础上， 提出了应力疲劳的s n 曲线和疲劳强度概念。他根据钢铁试样的研究得到两条重要的结 论【2 1 ；第一，钢材的疲劳断裂取决于交变应力范围而不是交变应力的最大值。第二，存 在一个最低应力范围极限，在低于此极限时，钢材则不再发生疲劳断裂。以后，开始对 各种金属材料疲劳的s - n 曲线进行大量的试验测定，并且又进一步考虑温度、加载频率、 平均应力、应力集中、环境等各种因素对s - n 曲线的影响，把由试验获得疲劳性能数据 汇编成册供设计者使用。随着运载工具和动力机械的迅速发展，许多零件承受的交变载 荷由简单的对称循环发展到非对称循环。虽然通过实验可以求的在不同应力比或平均应 力下材料的真实疲劳极限，但是这种实验耗资相当可观。为满足这类零件疲劳设计的需 要，g o o d m a n 根据实验结果建立了考虑平均应力的疲劳等寿命图口】，为非对称交变载荷 下的疲劳设计提供了简便方法。随着燃气涡轮发动机、高性能飞机、压力容器以及核工 业的发展，零件在新的服役条件下又表现出新的疲劳失效形式，既大应变低周疲劳失效， 六十年代初期，m a n s o n 和c o f f i n 针对这一问题，总结并提出了评定材料的低周疲劳断 裂规律，既m a n s o n c o f f i n 公式1 4 5 】。从而使低周循环控制应变疲劳特性的研究取得了突 破性进展。随着现代工业的发展，疲劳设计思想也在不断地发展和演变，由传统的无限 寿命设计发展到安全寿命设计，又进入到现代的破损安全设计( 或损伤容限设计) 。本 世纪6 0 年代发展并建立起来的断裂力学，很快地被用来研究材料的疲劳裂纹扩展特性 1 6 - 7 1 。若将结构的疲劳寿命分为裂纹萌生寿命和宏观裂纹扩展寿命，对于裂纹扩展阶段， p a r i s 的研究指出1 6 j ，裂纹尖端的应力场强度是控制疲劳裂纹扩展速率( d a d n ) 的主要 参数，由此建立了p a r i s 公式。目前，损伤力学的发展，除了理论上的进展以外，也开 始在工程中成功地得到应用，解决了诸如核电站管接头的低周疲劳，飞机发动机涡轮叶 片和涡轮盘的蠕变疲劳，混凝土梁的断裂，金属塑性成形极限，压力容器用钢的疲劳寿 西安科技大学硕士学位论文 命预估【引，尽管如此，损伤力学还有大量的理论和实验问题有待进一步完善和解决。例 如，如何方便、经济的测量损伤；如何模拟和建立损伤耦合的本构方程：如何将损伤的 微观机制与宏观现象统一起来：如何利用损伤力学来解决多相体和力学性能非均匀体的 疲劳断裂问题；以及如何利用损伤累积概念预测结构在工作条件下的安全服役期限，即 疲劳寿命预测等。 焊接作为一种重要的连接工艺己广泛用于化工、能源、桥梁、造船、动力及航空航 天等工业中，焊接结构的设计一般以母材金属为设计依据，母材的组织和力学性能均已 符合产品使用要求。然而，焊接之后，由于焊接工艺本身的特点，使焊接区金属材料造 成一定程度的机械性能恶化，结果焊接区往往成为整个金属结构的薄弱区或失效发生的 策源地。工程焊接结构疲劳破坏实例调查表明，大多数裂纹起源于焊缝或热影响区 ( h a z ) 。因此，焊接区力学性能的研究及如何保证焊接区与母材金属具有相同的使用 性能，就显的非常重要。 与一般金属结构相比，由于焊接结构具有客观力学不均匀性、焊接残余应力及焊 缝不连续性等特点，致使它的疲劳行为与均匀母材金属有所不同。因此研究焊接结构 的疲劳行为就必须充分考虑焊接区的力学特点，然而，由于焊接接头形式和焊接工艺 的多样性，以及焊接区显微组织的复杂性，影响疲劳行为的因素很多，使焊接疲劳问 题的研究相应困难，一些理论问题尚未完全认清，也还未能找到一种可以完全、系统 地进行焊接结构疲劳寿命设计的理想方法。 过去的几十年中，焊接的疲劳断裂问题研究采用传统的强度理论，主要集中在焊 接接头疲劳强度及其影响因素，以及疲劳裂纹从焊接缺陷处扩展等方面。八十年代以 来开始采用断裂力学的方法，同时考虑焊接接头的力学特征，从不同侧面对焊接疲劳 问题进行研究。从研究内容上来看，主要是对力学不均匀焊接疲劳裂纹扩展行为的研 究，对工程中常遇到的低周疲劳行为研究甚少。目前还缺乏有关力学不均匀焊接接头 低周疲劳特征的研究数据，也缺乏分别反映焊缝和热影响区低周疲劳抗力的指标。工 程疲劳分析中，一般借用高周疲劳的性能参数或用母材金属的低周疲劳参数代替焊缝 和热影响区的疲劳性能。这样的处理方法显然不符焊接结构的实际情况。因此，如何 对焊缝、热影响区的低周疲劳行为进行深入系统地研究，获取各分区的疲劳特征参数； 如何建立低周疲劳小试样与焊接结构之间准确对应关系等问题，仍需认真进行研究。 这方面已经引起国内外压力容器行业的极大重视。 以热力学为基础建立的连续介质损伤力学( c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s ) 简称损 伤力学，是近十几年来刚刚发展起来的新学科。它的研究成果和工程应用，已经引起 我国科技界的高度重视。在损伤力学中，把数目众多、形态各异的微缺陷作为一种损 伤现象，采用一个参量一损伤变量加以定量描述，并把损伤变量看作表示物体内部结 构不可逆变化的一种内变量。用这种不可逆过程热力学内变量来描述材料内部结构的 4 1 绪论 劣化。同时损伤力学研究需要两种基本方程，即材料的力学本构方程和损伤演化方程。 目前的研究多是针对均匀母材金属进行的理论和实验研究，较少涉及工程中常见的 焊接疲劳损伤分析。焊接结构疲劳破坏时，大多数裂纹起源于焊缝和热影响区。由于焊 接热循环的作用，导致焊接热影响区内产生很强的组织梯度和力学性能的不均匀性，从 而使得焊接接头各个区域的损伤演变存在明显的差掣。近年来，由于显微镜和图像处 理技术的发展，使人们有可能把材料的微观组织结构与宏观性质、材料破坏的微观行为 与宏观力学理论联系起来，尤其是随着宏、微观损伤力学的发展，为焊接接头疲劳损伤 行为及疲劳损伤演化机制与宏观性能之间的关系等问题的研究提供了更有效的方法。楼 志文等教授首先注意到损伤力学在焊接疲劳损伤中的应用前景，并以低碳钢的热模拟材 料为背景，对焊接热影响区低周疲劳损伤及损伤演化规律进行了初步研究。尽管通过热 模拟方法来研究焊接热影响区，其实验结果与实际焊接情况不完全相同，但是采用损伤 力学概念来研究焊接区损伤断裂是一个良好的开端，研究前景十分广阔。研究还表明， 即使对于有缺陷的焊接接头，焊接缺陷对疲劳性能的影响主要反映在疲劳裂纹形成寿命 上，实际焊接缺陷对疲劳裂纹性能的影响成为研究焊接疲劳问题的关键。此外，研究表 明，相对与疲劳裂纹萌生来说，疲劳裂纹扩展方式对显微组织、平均应力和材料厚度的 变化不敏感。因此，采用损伤力学理论、把焊接区微观裂纹、微空洞、显微组织不均匀、 偏析等抽象为损伤变量，引入疲劳损伤和断裂过程的分析，从实际和理论分析方法上对 焊接区疲劳裂纹形成寿命及实际焊接缺陷对疲劳寿命的影响进行深入研究，建立适合焊 接区力学特征，并包括裂纹形成和扩展寿命在内的全寿命设计方法是非常必要的 9 】，相 对于这样的出发点，有可能从另一方面，为焊接疲劳行为研究，疲劳设计方法开辟新的 领域。正如黄克智教授所指出的，将损伤力学和断裂力学结合起来，去研究物体的破坏 现象，如现代压力容器( 包括球罐、核容器和航天受压容器) 及其相关的管道工程，是 一个值得开拓的领域。美国焊接研究会( w r c ) 的压力容器研究委员会( p v r c ) 把这 项内容列为长期研究计划。 1 _ 3 本文研究的主要内容 从疲劳损伤理论的发展情况可以看出，目前损伤力学还有大量的理论和实验问题有 待进一步完善和解决。在工程应用方面，还存在许多关键性的问题有待解决。本文针对 疲劳损伤理论中的几个基本问题，采用微观和宏观相结合的方法，把疲劳损伤微观机制 与宏观疲劳特性的实验结果结合起来，研究了金属构件在温度、交变载荷综合效应下的 疲劳损伤断裂机制。 西安科技大学硕士学位论文 在前人多年试验研究的基础上，分析了金属疲劳损伤机理，总结了金属疲劳 损伤理论，分析了金属疲劳损伤特性，总结了线性、非线性累积损伤理论， 提出了新的概念一损伤效应，建立了新的模型一金字塔模型，提出了新的系 数一损伤系数，通过分析得出真实损伤与理论损伤之问的差异，并为金属构 件的疲劳寿命分析、预估提供了一种理论参考。 根据疲劳损伤基本理论，分析金属低周疲劳损伤过程，建立了金属滞回环曲 线；应力应变一疲劳寿命预测模型。 讨论金属疲劳损伤演化规律，推导出新的疲劳损伤关系式。定义金属疲劳损 伤测量的方法，总结了金属低周疲劳损伤模型。 通过金相分析，研究分析焊接接头微观组织特征；通过静拉伸试验，计算焊 接接头力学特性参数：通过控制应力应变试验，建立焊接接头滞回环曲线、 焊接接头应力应变一疲劳寿命模型。 提出新的损伤变量，建立焊接接头低周疲劳损伤模型。分析影响焊接接头疲劳 损伤的因素。通过金相分析，得出焊接接头疲劳损伤微观机理。 分析影响焊接接头疲劳损伤的因素，定义裂纹萌生尺寸，分析焊接接头疲劳 损伤裂纹形成、扩展的机理，并建立新的裂纹扩展及损伤计算关系式。 6 ) ) ) ) ) ) 他 o 2 金属疲劳损伤特征 2 1 概述 2 金属疲劳损伤特征 金属材料在疲劳下的破坏，是一个由损伤累积、裂纹萌生、裂纹扩展到最后断裂的 渐进过程。各个阶段都有着各自的规律和特征i l 。1 8 7 0 年w 6 h l e r 在系统研究车轴疲劳 现象的基础上，提出应力疲劳的s n 曲线和疲劳强度概念。开始对各种金属材料疲劳的 s - n 曲线进行了大量的实验测定，并且又进一步考虑温度、加载频率、平均应力、应力 集中、环境等各种因素对s - n 曲线的影响，并把由实验获得的疲劳性能数据整理汇编成 册，供设计者使用。g o o d m a n 根据实验结果建立了考虑平均应力的疲劳等寿命图【l ”， 为非对称交变载荷下的疲劳设计提供了简便的方法。1 9 3 7 年，n e u b e r 引入缺口应力梯 度效应，认为缺口根部小体积的平均应力要比缺口处的应力峰值更重要。六十年代初期， n e u b e r 又从二维剪切分析中导出了著名的n e u b e r 公式，并证明缺口试件的弹性应力和 应变集中系数的乘积为常数。后来不少实验工作者围绕评估这一简化方法的可靠性进行 了许多工作。随着燃气涡轮发动机、高性能飞机、压力容器以及核工业的发展，零件在 新的服役条件下又表现出新的疲劳失效形式，即大应变低周疲劳失效。六十年代初期， m a n s o n c o f f i n 公式【1 2 。1 4 】的出现使低周循环控制应变疲劳特性的研究取得了突破性进展， 他是目前应变疲劳分析的基础。为了提高构件和结构疲劳强度，探索新材料和改进材料 的疲劳特性，1 9 4 5 年m i n e r 在瑞典工程师p a l m g r e n 在1 9 2 4 年提出的球轴承疲劳准则的 基础上发表了线性疲劳损伤假说，这个著名的假说后来被称为p a l m g r e n m i n e r 线性疲劳 损伤累积准则。虽然存在一些缺陷，但这个法则在疲劳寿命预测中迄今仍然是一个重要 的工具【15 1 。 众所周知，构件在高温环境下工作时，常常伴随着蠕变变形。h o f f 在1 9 5 3 年首次 研究了蠕变破坏问题，他假设试样的破坏是由于试样的均匀拉伸使得其横截面面积趋于 零，提出了延性破坏模型。k a c h a n o v 1 6 在1 9 5 8 年首次提出了材料的蠕变损伤的概念， 并将它用于空穴的形成和发展而导致的蠕变破坏的计算中，近二十年来，这个概念得到 了很大的发展，并在许多领域得到了广泛的应用。本世纪初，由于光学精密仪器的出现， 用光学显微镜来观察材料在疲劳损伤过程中的滑移现象，及材料在疲劳损伤过程中微观 组织结构的变化以及疲劳裂纹的萌生和扩展的微观机制现象，从而使金属材料的疲劳损 伤理论研究又深入一层。从材料的微观组织来看，疲劳和蠕变是两种不同形式的失效形 式。疲劳破坏主要是以穿晶断裂为主，与外载的循环次数有关；蠕变破坏主要是以沿晶 断裂为主，它与载荷作用时间有关。在疲劳蠕变单独存在的场合下，这两种损伤的区别 是十分明显的。而在高温下经受疲劳循环的结构元件中，这两种损伤同时存在，只是大 西安科技大学硕士学位论文 小不同。研究表明，构件所受温度与该材料熔点之比决定了蠕变损伤的大小，此值越大， 蠕变损伤就越大。因此，在温度较高、循环频率较低或有较长的保载时间的高周疲劳循 环中，疲劳损伤所占比率很小，主要是由于蠕变损伤而导致构件的破坏。而在温度较低， 循环频率较高或不具有保载时间的低周疲劳循环中，蠕变损伤所占的比例很小，构件的 破坏主要是由疲劳损伤所导致的。结构在疲劳蠕变的交互作用下的分析模型按其载荷 可分为两类【2 ”，即“顺序加载”和“间置加载”。所谓“顺序加载”，就是循环载荷与蠕变载 荷顺序施加于结构元件上：而“间置加载”是在每次循环加载的拉伸段具有保载时间，因 而在每个循环中，结构元件既承受疲劳损伤，又承受蠕变损伤。由于在疲劳蠕变交互 作用中既包含了与循环变形相关的疲劳损伤机制，又包含了与加载时间相关的蠕变损伤 机制，因此，疲劳一蠕变交互作用的损伤机制要比单纯疲劳或单纯蠕变的损伤机制复杂 的多。这方面已有不少学者对单轴应力状态下的疲劳蠕变交互作用规律进行了研究， 提出了各种模型用以估算寿命7 1 8 1 。在这些模型中，用应力、应变、应变能及损伤累积 效应表示结构元件的循环寿命，的唯象规律起了主要作用。 材料疲劳破坏机理的研究一直为人们所注目，许多学者从各个侧面对他进行了大量 的研究。疲劳可分为应力疲劳和应变疲劳，或为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳的循环 应力水平较低，材料没有大的变形，循环寿命次数较高，一般大于1 0 4 ：低周疲劳的循 环应力水平较高，材料出现大的变形，循环寿命次数较低，一般小于1 0 4 ；为了弄清楚 各种因素对疲劳性能的影响，需要进行大量的实验研究和系统分析，而最传统的研究方 法就是分析金属的s n 曲线，这是疲劳研究的经典课题之一，也是统计强度理论的主要 研究内容。 2 2 金属的s - n 曲线 为了评价和估算疲劳寿命或疲劳强度，需要建立外载荷与寿命之间的关 系。既反映外加应力s 和疲劳寿命n 之间关系的曲线叫做s - n 曲线，或称之w f h l e r 曲 线。 2 2 1s n 曲线图形描述 一条完整的s n 曲线包括三个阶段：低周疲劳区( l c f ) 、高周疲劳区( h c f ) 和亚 疲劳区( s f ) 。如图2 1 所示：当= i 1 ，即静拉伸对应的疲劳强度为瓯。= & ；n = 1 0 6 7 对 应的疲劳强度为疲劳极限s 一= s e ；在h c f 区，s - n 曲线在对数坐标系上几乎是一条直 线。 2 金属疲劳损伤特征 瓯。l 千 三r l 1 萨i f 一 卫斟卜塑一旦一 式中，材料参数彳= i g c a ，b = 一形，该式表示应力s 与寿命之间有对数线性关系。 式中，爿= 考三，b = 形l g 。，表示在寿命取对数，应力不取对数的图中，s 与问有线 西安科技大学硕士学位论文 个疲劳极限过程。 ，= s i ( e 一& ) 。 ( 2 6 ) 式中，s ，b ，s o , 为材料的常数，其中b o ，为理论应力疲劳极限幅值。 2 3 应力控制下的循环应力一应变关系 根据疲劳循环的破坏周次，可将疲劳分为低周疲劳和高周疲劳。从材料的循环应力 一应变滞回环可以看到，低周疲劳和高周疲劳的主要差别在于塑性应变量大小不同。对 于低周疲劳，塑性应变占主导地位；对于高周疲劳，弹性应变占主导地位。 在高周疲劳条件下，外加循环应力盯低于材料的屈服强度盯。，材料处于弹性范围， 应力一应变呈线性关系。根据胡克定律，有 s = 6 e a = 丢( 2 7 ) l 式中占为总应变范围，a 6 为弹性应变范围，a c t 为应力范围，e 为材料的杨氏模量。 在低周疲劳条件下，由于外加循环应力高于材料的屈服强度仃。，此时，除产生弹 性应变外，还会产生塑性应变，即在应力一应变曲线上任一点处卸载后，弹性应变即 恢复；塑性应变s 将作为残余应变留下，所以，应力应变曲线上任一点处卸载后总应 变可写成弹性应变与塑性应变之和，即： s = o c e a + s 。 ( 2 8 ) 应力与塑性应变关系可由h o l o m o n 关系表达，即： 吒= k ( 。) ”( 2 9 ) 式中，k 为强度系数，具有应力量纲( m p a ) ；”为应变硬化指数，是无量纲量。对于常 用结构金属材料，应变硬化指数一般在o 一0 6 之间。当 = 0 时表示无应变硬化，应力 与塑性应变无关，是理想塑性材料。将( 2 7 ) 、( 2 9 ) 代入( 2 8 ) 得到著名的r e m b e r g o s g o o d 弹塑性应力一应变关系，即： 一咏= 百o - a + ( 暑 7 r 2 1 0 ) 2 3 1 滞回环和循环应力一应变响应 在循环载荷作用下，材料的应力一应变响应与单调加载时相比，有很大的不同。在 恒幅对称应变循环试验中，连续监测盯一响应，可以得到系列的应力应变环，这些 环，反映了循环载荷作用下，应力、应变的连续变化情况，通常称为滞回环。如图2 2 2 金属疲劳损伤特征 所示：通过实验发现： ( 1 ) 随着循环次数的增加，同样的应变幅下，应力幅不断增大。即盯一s 响应随循环次 数而改变。 ( 2 ) 在循环一定周次后有稳态滞回环。 ( 3 ) 随着循环次数n 的增加，出现循环硬化和软化现象。 ( 4 ) 各稳态滞回环顶点具有连续性。 由不同应变恒幅对称循环控制下的疲劳试验，可得到一簇稳态滞回环。将这些稳 态环置于同一坐标内，各稳态滞回环顶点的连线的连续性反映了不同应变幅循环下的 应力幅吒响应，由此给出了关于巳一曲线。将应变幅岛写为弹性应变幅与塑性应变 幅两部分，分别表达他们与应力幅的关系，同样有： a o a = e t( 2 1 1 ) a o - o = k 1 ( s 。) ”( 2 1 2 ) 图2 2 滞回环 由于矗一吒曲线给出的是在不同应变幅e o f 蜘j t ，循环稳定状态时的应力幅 t a ， 他不反映实际的盯一加载路径。反映加载路径的是滞回环曲线。对于拉压性能对称的 材料，其滞回环曲线的上升与下降的二个半支是关于原点对称的，故只需考虑半支既可。 如图2 3 所示： 西安科技大学硕士学位论文 吲2 3 而l 旦j 虾应力匝受啊厩 在试验的基础上，假设滞回环曲线与循环应力一应变曲线几何相似，即在毛一o a 坐 标系中的吒、毛分别是a c t - a e 坐标_ 系甲明了a o 利丁a g ，由此得到：著名的m a s s i n g 应 力一应变曲线。 坐=生+堡=竺+(而ao2222 e2 k ) ( 2 1 3 )、 l7 、， 岛= 蝇+ 蜂= 等删丽a o - 声 ( 2 1 4 ) 式中：k 1 为循环强度系数，具有应力量纲( m p a ) ；”1 为循环应变硬化指数，是无量纲 量。对于大多数金属材料，应变硬化指数y t l 一般在在o 1 0 2 之间取值。 2 3 2 循环应力应变与寿命的关系 对于高周疲劳，寿命主要取决于弹性阶段。循环应力幅与寿命的关系可用b a s q u i n 方程描述【1 9 】 吒= 一( 2 m ) 6 ( 2 1 5 ) 式中，町i 为疲劳强度系数，b 为疲劳强度指数，n ，为材料破坏时的循环次数，根据虎 克定律： = 导 ( 2 1 6 ) 将其( 2 1 6 ) 代入( 2 1 5 ) 式得： 气= 譬( 2 n i ) 6 ( 2 1 7 ) 对于低周疲劳，在寿命的整个阶段，不仅耍经历弹性阶段，而且要经历塑性阶段。 2 金属疲劳损伤特征 塑性阶段疲劳寿命在双对数坐标轴上呈线性关系，可用下式表示：即著名的 m a n s o n c o n f f i n 低周疲劳公式： = 一( 2 ，) 。 ( 2 1 8 ) 式中：占；为疲劳塑性系数，c 为疲劳塑性指数。将( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入( 2 1 0 ) 得到低周疲劳 总应变幅一疲劳寿命关系式： 占。：s 。+ s p 口：! 当6 + s ；( 2 r ) c(219(2ny) 1 9 ) 占。= s 。+ s 2 手 。+ 弓( 2 ，) ( 2 2 4 疲劳累积损伤理论 2 4 1 线性疲劳累积损伤理论模型 线性疲劳累积损伤理论是指在循环载荷作用下，疲劳损伤与载荷循环数的关系是线 性的，而且疲劳损伤可以线性累加，各个应力之间相互独立且互不相关，当累加的损伤 达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。线形疲劳累积损伤理论中最典型的理论 是m i n e r - p a l m g r e n 理论，简称m i n e r 理谢2 0 1 。m i n e r 理论的模型背景：a ) 在任意循环载荷 下，材料每一应力循环所作的功累积到临界值时，即发生疲劳损伤；b ) 金属材料在循环 载荷下，各个应力循环所作的功相互独立，并具有可加性；c ) 累积损伤理论模型与材料 和载荷的性质、形式、应力加载顺序没有关系。 f 1 1m i n e r 理论模型 在单应力单循环载荷下： d = i 1 ( n 是对应于当前的载荷水平下的疲劳寿命) 。 在单应力多循环载荷下： d ：i n ( ”是对应多循环情况下的循环次数，当月：时，发生疲劳损伤) 。 在多应力单循环载荷下：。= 可1 + 袁+ + 1 虬( ”个不同应力循环在循环一次的情况 下所造成的疲劳损伤) 。 在多应力多循环载荷下：。= 旦n i + 丙n _ _ l 2 ，+ + 虬n _ _ l n 寿，f = 1 ，2 n 每一个应力循环一定次 数后单独所造成的损伤，当窆鲁= 1 时，即发生疲劳损伤。 西安科技大学硕士学位论文 通过以上分析可以发现： 损伤的过程与载荷状态没有任何关系。 损伤累积的过程与次序没有关系。 循环载荷所造成的损伤之间相互独立，互不影响。 ( 2 ) m i n e r 理论模型分析 根据m i n e r 理论：m i n e r 理论认为总损伤是两轮损伤叠加，如图2 4 ( a ) 所示，第一论 循环后所造成的损伤为口，循环数为n l ；第二轮循环后所造成的损伤为d ，循环数为 n 2 。两轮循环后所造成的总损伤为： d = d i + d 2 r 2 2 0 a ) 式中：d z = 导，d 2 = 睾d 为总损伤，d l 为第一轮单独循环时造成的损伤，d 2 为第二轮 v ld y 2 单独循环时造成的损伤，l 为第一轮单独循环时的总寿命， 为第二轮单独循环时的 总寿命。 由物质间的相互联系性可以知道，在实际中，每一轮变化所造成的危害对下一轮都 会产生一定的影响，即使是很微小的表现也可以产生很大的影响。而累积损伤理论没有 涉及到载荷相互间的影响作用，而且在实际生产过程中，金属结构不仅受到循环载荷的 作用，而且受到环境因素的影响，造成一定的载荷加载顺序对构件的疲劳损伤也会造成 一定的影响。在实际工程中，我们都知道承受高一低循环载荷加载的材料常在损伤d 1 时破坏。可见前轮循环加载对后轮 损伤有很大影响。 ( 3 ) 损伤效应 从牛顿第二定律中我们知道，f = m a 指的是力与加速度间的一次关系，只要有力 作用在物体上，并且在克服静摩擦的情况下，物体便产生一定的加速度，并且向前运动。 这就是力对静止物体所造成的影响。如果将作用力取消后，物体并没有立刻停止，而是 继续向前以一定的速度作递减运动，也就是说力对物体所造成的影响在没有力的情况下 并没有消失，而是产生了一定的影响，我们称这种看不见的力为惯性力。如果要是物体 在停止前再次作用力并达到开始的速度，那么我们只需小于第一次的力就可以办到了， 原因就是第一次作用力对第二次作用力在对物体的速度上产生了一定的影