（机械设计及理论专业论文）基于能量耗散理论的纯铜t2的低周疲劳寿命预测.pdf

一，j1-_，_ 【 ad i s s e r t a t i o ni nm a c h i n ed e s i g na n dt h e o r y ap r e d i c t i o no fl o w c y c l ef a t i g u e l i f eb a s e d o ne n e r g vd i s s i d a t i o nt h e o r yi nc o p p e rt 20 ne n e r g v d l s s l p a t l o n1 。n e o r yl nu 0 p p e rlz b yc o n gg u 觚gp e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt o n gx i a 0y a l l n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 坶 j a n u a r y2 0 0 8 ， o i 。 _ 1 ； 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 并表示谢意。 学位论文作者签名：丛产僻 日期：多o o 显。驯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： _，。- 东北大学硕士学位论文 摘要 基于能量耗散理论的纯铜t 2 的低周疲劳寿命预测 摘要 目前的疲劳能量耗散理论还存在诸多问题，尤其缺乏对它进行全面研究。以往 限于实验手段及理论知识，研究人员只能根据各自感兴趣的问题从不同的角度开展 研究，但是随着科技的发展，各种高精度仪器的相继出现，实现这种全面研究已有 可能。作者在前人的基础上，对疲劳耗散过程本身和疲劳耗散能量的计算给出了个 人的观点。 作者分析了纯铜疲劳过程中的能量耗散过程，发现材料形变过程中消耗的机械 功以多种能量形式耗散。其中绝大部分是以热耗散的形式散失于环境中和以显微结 构畸变的形式贮存于材料中。通过分析热耗散及储能的变化规律，发现热耗散的不 均匀分布使材料单元间产生热传导、材料与环境间产生热交换，并在材料中形成局 域温度场：储能的变化引起材料微观结构的变化，甚至表面微观形貌的变化，这是 与材料的损伤状态是直接相关的。大量研究表明，温度的变化与热耗散的变化具有 自相似性，且能够反映材料疲劳变化的不同过程；表面微观形貌的变化与储能的变 化是一致的，它反映了材料疲劳变化的不同状态。 本文介绍了疲劳过程中机械能耗的测试方法和结果。采用高精度的红外热像仪 和远距高倍显微镜同步测量了光滑纯铜试样与缺口纯铜试样在疲劳过程中的温度变 化与表面微观形貌变化。实验过程中发现温度与储能( 表面微观形貌) 在能量的基 础上存在一定的联系。试样在变形的过程中，其表面温度变化与表面微观形貌变化 存在明显的相关性。 作者根据试验分析，发现循环滞回能在循环初期变化很大，随后逐渐减小趋于 稳定，在疲劳破坏发生前的最后阶段又迅速衰减。并且根据热传导的傅立叶定律、 对流换热微分方程及能量耗散控制方程，推导出温度与疲劳寿命之间的关系。限于 时间及试验手段，作者并没有得出温度与储能的关系。为此，作者希望通过下一步 的深入研究，进一步解决目前存在的问题，完善疲劳能量耗散理论。 关键词：能量耗散，热耗散，塑性应变能，温度响应，疲劳寿命，对流换热系数 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ap r e d i c t i o no fl o w c y c l ef a t i g u e l i f eb a s e d 0 ne n e r g yd i s s i p a t i o nt h e o r yi nc o p p e rt 20 ne n e r g yd l s s l p a t l o nr l 。n e o r yl nu 0 p p e r1 。z a b s t r a c t ni sf o u n dt l l a tt l l ee ) 【i s t i n g 锄e r g yd i s s i p a t i o n _ b a s e df a l 【i g u et l l e o 巧h 勰m 锄y e i e f i c i e n c i e s ，e s p e c i a l l ya ni n t e 孵t e ds t u i i yi sl a c k e d t h ef i o m e rr e s e a r c h e 璐o n l y 姗i e d n l ee n e r g yd i s s i p a t i o n 蛳n gf a t i 舒地盘d mt 1 1 e i rm o s ti i l t e r e s t e ds u b j e c t sd l 增t 0l ko f e x p er i ：m e n t a jc o n d i t i o n 锄dt i 坨o r y ，h 0 、1 w e r ，w i t ht t l ea p p e 锄j 蛆c eo f 锄d 、硼c e de x p 口i m e n t a p p 羽1 m 塔，i ti sc o n c e i v a b l et oa c l l i e v et l l ei n t e g | 锨e dr e s e a r c h o nt l l e 舀0 删帕w o r ko f f o n n 钟，l e 制i m o rh o p e st 0 西v em ef a t i 毋l e sd i s s i p a t i o np r o c e s si t s l e l fan e w e x p l a i 谢i o n 觚dan e wg o w n l i n ge q u a t i o no f t l l ee n e r g yd i s s i p a t i o n 目u p w i t l lt l l e 锄a l y s i so fe i l e r g yd i s s i p a t i o np c e s sd u r i n gf 撕g u e ，t l l e 砒i t l l o rf m d sn l a t t l l en 坨c h a i l i c a le n e r g yi sd i s s i p a t e di i lv a r i o l 腮f o r m so fe n e 玛yt h ee n e 耀ym a i l l l ya 他t l l e h e a ta l e r 譬d i s s i p a t e di i lt l 圮e n v i r o n m 锄ta n dn l e 鼬o r e d 咖理yc o n s u m e db yn l e d e f o n n a t i o no ft l l em i c r 0 蚰仙c n l r e s ，w l l i c hm a i l l l yi sh e a t 即e r g yt 1 1 r o u 曲锄脚弘妇g m e m a ld i s s i p a t i o n 锄ds t o r e da l e r g y “n gt l l ef a t i g u e 妇n a g e ，i ti s 如眦l dt l l a t l e t b e n _ i l a ld i s s i p a t i o ne l e v a t e st l l et 锄p 啪n h o ft l l es p e c i m e na b o v et l l a lo ft h e e n v i r o n m e n t ：n l a l l n a lc o n d u c t i o 咀t a k e sp l a c eb e t w e e nn l em a t e 五mv o l u m e 珈f l i t s 锄d m e n n a le x 曲觚擘r eb e t w e e n 廿l es p e c i m e ：na n dt h ee n v i r o n m e n t ，w k c hb r i n go 咀l o c a l t e m p e r a t u r ef i e l do n t h es p e c i m 肌t h ee i l e r g ys t o r e di nm a t e r i a l sd l l r i i l gf a t i g l 坨c h a n g e s l ee n e r 霉呵s t a t eo ft h em m e r i a l s ，a n dn l ee n e r 擘s t a t er e n e c t st l l ec l 珊留eo ft l l e 飘f - a c e m i c r o s 劬曲l r e s ，w l l i c hi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot l l ei i a m a g es t a t e m a n ys t i l d i e ss l l o w 蛳t l l e c l 珊g eo ft e m p e r a t i l r e ，w l l i c hc 觚r e f l e c tt l l ed i s s i m i l a rc o u r s eo f 也ef i a t i g 鹏b e h a 访。璐o f m a t e r i a l sd l l r i n gl o wc y c l ef a t i g u e ，i s l f s i m i l a rw i mm ec 1 1 习m g eo f 廿l e m a ld i s s i p a t i o n 1 1 1 1 ec 1 1 a 【l l g eo fs 耐a c el i l i c r 0 阻p l l ，w h i c hc 觚f e n e c tt 1 1 ed i s s i m i l a fs t a _ t eo f 纰f 址i g i l e b e h a v i o ro fi i 均t e r i a l s ，i sc o i n c i d e n t 、硐t bt l l ec h a n g eo fm es t o r e de n e r g y i i l “sp a ：p e r t h et e s tm e t l l o da n dt e s tr e s u ho f l em e c h a i l i c a le n e 理d i s s i p a t i o n n gf i a t i 咎l ea i i l 协) d u c e d t h et e m 肼粥l t l 】r er e s p o n 趾dt l l em i c r o 毋盈p hd l 姐g eo f c o p p e r 岫d c rl o wc y c l ef a t i g u ea s 哪i e db yu s eo fi i l | h e dp h o t o g 泖h y 证n t 狮d r e m o t el l i g hp o w e ro b i e c t i v em i c r o s c o p y t h et e m p e r a t l l r eh a so n er e l a t i o no nt l l eb 蠲i so f e n c l r g yw i t l lt h es u r _ f a c et h er e s u l t ss h o w e d 廿l a tt i l e 佗e x i t so b v i o 凇l a t i 删p sb e 棚积m t l l em e 嬲u i e dt e m p c 相t u 托a n dm e 血c r o s c o p i cs h a p c t h et e m p c m t u r e 锄d 廿l e m i c r o s c o p i co c c u rt od i s s i m i l a rc l l a i l 霉e 、访n 1t l l ed i 丘咖n i o fl o a d i n gm o d ea n d 卿i i i l e n s h a p e t h r o u 曲a n a l y 2 血gt l l ef a t i 星皿ed l a t e ，t h ea u t h o rf 加i l d 姒：t h ec y c l i ch y s t e r e t i c e n e r g yi sv e r ) rh i g l la ti t se 砌i e rc y c l e ，a n d 缪a d u a l l yi tr i ss t e a d i l ya tm es t e a d yc y c l e ， b u t “d e c r e 鹤e sq u i c l 【l yb e f o r em p t u r e s a c c o r d i n gt 0t l 圮f 砌e r sl a wo ft l l et l l e n n a l c 0 i l d u c t i o l l c o n v e c t i o n a le ( 1 u a t i o n ，也eg o 删n ge q 岫t i o no ft l l e 豇圮r g yd i s s i p a t i o 玛也e a u m o ri l e r i v e dt l l a lt l l ee q u a t i o nw i t ht e m p e 栩l t u r ea n d 雠i g u el i f e t h ep r e d i c t e di i v e s 、e r ef o u n dt 0b ei n9 0 0 da j f e 锄e n t 、析t 1 1t l l ee x p e m e n t a l 他s u n s t h ed e t e m l i n a l 【e 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e l a t i o nb e t w e 髓t e m p e m t u r ea n ds t o r e de n e 娼yi 踮to 比曲e dd t 0t l l el ko f 协e e x p e r i m e n ti n 蛐r u m e n t s 锄dt i m e t h e 他f o r e ，t h ea u t h o rh o p e st 0s 0 l v et m sp r o b l 锄锄d p e r f - e c tt h ee n e r g y 凼s s i p l a _ t i o n - b a df a t i 母地t h e o 巧n l r o u g hf a n i l 盯s t u d i e s k 叼w o r d s ：e n e r g yd i s s i p a t i o 玛h e a td i s s i p a t i o i l ， r e s p o n ，f a t i 母l el i f e ，c o m r a c t i o nc o e m c i e n t 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明j i 中文摘要l a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 疲劳能量理论的发展历史及研究现状2 1 2 1 疲劳能量理论研究2 1 2 2 疲劳能量耗散理论中能量的分布5 1 2 3 能耗机理研究9 1 2 4 疲劳寿命预测能量方法研究。1 2 1 2 5 疲劳过程中的热耗散及温度场研究1 4 1 3 本文研究背景及研究内容l5 第2 章疲劳损伤过程中的能量耗散1 7 2 1 引言1 7 2 2 金属疲劳过程中的能量耗散状况1 7 2 3 疲劳损伤过程中的能耗控制方程18 2 3 1 能量分布方程18 2 3 2 热传导方程。1 8 2 3 3 热传导方程的边界条件1 9 2 3 4 控制方程2 0 2 4 疲劳过程中热耗散的微观原因2 l 2 4 1 费米能2 l 2 4 2 疲劳过程中热耗散的微观原因2 2 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 小结2 3 第3 章低周疲劳能量耗散试验分析2 4 3 1 引言2 5 3 2 试验方法简介2 5 3 2 1 红外测温原理2 5 3 2 2 红外热像技术在疲劳方面的应用2 6 3 2 3 试验方案设计及参数选择2 6 3 3 纯铜低周等幅疲劳试验3 2 3 3 1 循环迟滞回线：3 2 3 3 2 循环硬化软化现象与循环滞回能一3 3 3 3 4 累积塑性应变能3 5 3 4 循环加载过程中温场和表面显微形貌的变化3 7 3 4 1 光滑试样疲劳过程中温度和温场的变化3 7 3 4 2 光滑试样疲劳过程中表观显微形貌的变化4 2 3 4 3 缺口试样疲劳过程中温度和温场的变化4 3 3 4 4 缺口试样疲劳过程中表面显微形貌的变化4 5 3 4 5 试样形状对瞬断时试样表面温场的影响4 6 3 5 小结4 7 第4 章基于能量耗散理论的低周疲劳寿命预测4 8 4 1 引言4 9 4 2 低周疲劳过程的能量耗散规律。4 9 4 2 1 低周疲劳过程中循环滞回能和累积塑性应变能的规律研究。4 9 4 2 2 低周疲劳过程中试样温度演变规律厶5 1 4 3 低周疲劳寿命预测能量模型5 2 4 3 1 目前研究的低周疲劳寿命预测能量模型5 2 4 3 2 本文中应用的与热耗散过程有关的数学方程的推导5 3 4 3 3 相关资料和实验数据5 9 4 4d 、结6 l 东韭盔堂堡圭兰垡笙奎旦墨 - - _ - - _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - i _ _ _ _ _ _ _ - - 一 第5 章总结与展望，_ ：。_ 。二- - 6 l 5 1 研究工作总结一6 2 5 2 展望6 3 参考文献6 4 致谢6 9 j 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 多数工程结构在服役阶段所承受的外力是不断变化的，有的是有规律的循环载 荷，有的则是无规律的随机载荷。材料或者结构的某一点或某些点，在承受应力 和应变的反复作用下，发生渐进的、局部的、带永久性的变化过程叫做疲劳【l l 。在 足够次数的波动之后，材料或结构将产生裂纹或最终断裂。疲劳在工程结构中是 广泛存在的现象。由于疲劳造成的构件破坏，宏观上大多没有明显的塑性变形， 且难以检测和预防，因而构件的疲劳破坏会造成巨大的经济损失甚至危及生命。 巨大的损失促使人们对材料的疲劳问题做更深入的研究。就材料的静态、准静 态加载，目前提出了大量的模型并且得到成功的应用。对于变化载荷作用下的材 料行为，尽管也做了大量的研究，但仍然存在诸多问题。就相对简单的循环载荷 作用下的材料响应而言，研究者提出的理论模型，还不能与试验结果很好的吻合。 为了探索自然规律、优化设计、准确地预测构件的寿命，研究者仍在研究这些问 题。 现在的疲劳研究涉及的学科和技术领域很多，问题本身的影响因素也很复杂， 加上材料自身的复杂性、多样性和不确定性，因此完整、系统的疲劳理论尚未形 成。疲劳研究者还只能从各自对疲劳问题的理解以及研究需要，从各个不同的角 度展开研究。在工程疲劳研究中，最感兴趣的问题是疲劳寿命估算，包括结构预 期服役寿命的预测以及结构剩余寿命的评估。由于疲劳事故的频繁发生，疲劳损 伤评估的研究甚至比疲劳机理的研究开展地更早。p a h n 鲥l 于1 9 2 4 年提出了线性 累积损伤理论，m i m 产1 于1 9 4 5 年利用循环滞回能作为参量重新提出了线性累积损 伤理论。m 觚s 0 n 【3 l 和c o m n 【4 】通过低周疲劳试验研究提出了在低周疲劳中广泛应用 的m 觚s o n - c o m n 公式。七十年代后随着电子计算机控制技术在电液伺服机构上的 应用，国外开始广泛开展随机疲劳的研究，形成了估算疲劳裂纹形成寿命的局部 应力应变法。1 9 7 1 年w 宅t z e l 建立了较完整的预估零件和构件在随机载荷历程下的 疲劳寿命的局部应力应变法。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 围绕这个过程，许多学者开展了以下三个方面的研究工作：( 1 ) 载荷谱的处理 与简化；( 2 ) 危险部位局部应力应变历程分析；( 3 ) 疲劳损伤理论、破坏准则和 寿命预测方法。其中在局部应力应变历程近似分析和疲劳损伤累积理论研究两个 方面，能量方法都取得了很大进展。 近些年随着非平衡热力学、耗散结构理论等非线性基础科学的迅速发展，金相 显微镜、电子计算机控制技术、红外热像技术等的应用，能量理论在疲劳研究中 得到不断深入和细化，人们开始从非平衡热力学的角度重新认识疲劳现象，用热 力学方法而不仅仅是力学方法研究疲劳现象。以下将对疲劳研究能量理论的发展 历史和研究现状做一综述，尤其着重于机械能量耗散理论、能耗微观机理研究、 疲劳裂纹扩展及寿命预测以及疲劳过程中的热耗散及温度场研究。 1 2 疲劳能量理论的发展历史及研究现状 1 2 1 疲劳能量理论研究 疲劳能量理论研究大体上分为以下几个阶段： 1 2 1 1 基于机械能耗的疲劳理论 从试验手段，随着闭环电动液压实验系统的产生，人们能够精确的测量疲劳 过程中所消耗的应变能，从而大大促进了基于机械能耗的疲劳损伤理论的建立和 发展。 机械能耗理论的主要思想是：用某种形式的能量表征疲劳损伤，当它累积到某 个极限值时，材料发生破坏。在多轴疲劳等复杂疲劳问题的研究中，这种思想也被广 泛采用。基于塑性变形是疲劳损伤的原因这样的认识，大部分学者提出的疲劳判据 采用循环塑性应变能或者微观塑性应变能作为损伤参数【5 8 】。对于低周疲劳，往往用 循环滞回能表示循环塑性应变能。也有学者提出不同的观点，c h 锄g 【9 】认为每个循 环有一部分塑性应变能对疲劳损伤不产生作用。m a n i n 【1 0 】强调只有与应变硬化有关 的能量才会引起疲劳损伤。g o l o s 和e l l y i n 【l l 1 2 】用总应变能作为损伤参量，它包括塑 性应变能和与拉伸应力相关的弹性应变能。童小燕等【1 3 1 对几种航空材料的循环非 弹性响应进行了讨论，强调在疲劳损伤定义中循环滞回能的优越性。 - 2 ， 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 目前比较常用的循环滞回能的数学模型： o 如p7 = 型形，、n _ 。( 1 1 ) i + 刀 对于非m a s i n g 材料，e y l l i n 引入j h a n s a l e 2 t o p p e r 【1 4 】的主骨架模型，导出循环滞回 能计算模型： 形，= 品( 仃一衍声) 缸，+ 衍芦g ， ( 1 2 ) 其中：衍惯一循环屈服应力增量( a ) 早期的试验结果发现，疲劳失效总吸收能与载荷水平、材料状态有关。 h a l f o r d 在分析了3 6 篇文献中报道的1 9 6 套疲劳实验数据后指出，在不同应力水 平下材料的疲劳韧性有显著差异，并根据m a n s o n c o f f i n 公式导出疲劳韧性与循环 寿命之间的关系： 町= 4 昌口h ( 2 ，广州叫2 ，) 口 ( 1 - 3 ) 童小燕16 1 7 1 、姚磊江嗍对几种常用金属材料的疲劳实验也获得了同样的结果。 l e f e b v r e 和e l l y i n 【1 明用类似的方法得出非m a s i n g 材料的循环滞回能和失效能为： 吩= 4 三苦町吩 r ，6 + c + l + 4 南峨吩“1 ( 1 _ 4 ) 并指出确定总塑性应变能的关键在于精确测量滞回环和材料的循环特性。 1 2 1 2 基于能量耗散的疲劳理论 各种关于机械能耗的数学模型中往往都涉及到了与应力有关的参量，即疲劳 过程中消耗的机械能与加载状态有关，这成为限制疲劳能量理论应用的重要原因。 另一方面，外部提供的机械能与疲劳损伤没有直接的关系。而且每个循环所损失的 热是不可忽略的，它占输入能量的绝大部分，约占静态过程迟滞能的8 0 9 6 。于是人 们开始引入热力学方法而不仅仅是力学方法研究疲劳问题，并对能量耗散现象进 行了许多深入的研究。并且随着精确的测温方法以及先进的非接触式测温仪的应 用，疲劳能量理论的研究逐渐摆脱单纯的机械能耗的阶段，进入以热耗散为主的 能量耗散的研究阶段。这一阶段的研究工作主要集中在三个方面，监测疲劳过程中 的热现象刚、疲劳过程中自热温度场的模拟【2 1 1 、疲劳过程的能量耗散形式及定量 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 描述i 删。 疲劳过程中观察到的b a u s c 岫唱e r 效应和迟滞现象都证明了在这个过程中耗散 了能量。对b a 吣c l l i n g e r 效应以及迟滞现象的深入研究证明这种能量的耗散与晶体 显微结构的运动和演变有关。因此，人们自然而然地希望用能量的累积过程来描 述材料的损伤过程。能量耗散与损伤演化的密切联系使得这种描述具有明确的物 理含义，同时能量作为标量的可加性使得这种描述具有简便性。随着疲劳实验方 法和测试技术的完善，人们能够精确地测量疲劳过程中的能量耗散，这为疲劳能 量理论的发展奠定了实验基础。 h o p l 【i n s o n 和w i l l i 锄s 团1 在试验中发现疲劳过程热耗散能量与静态过程迟滞能 存在差异，并将原因归结于动态变形与静态变形的差异。后来人们认识到这种差 异与材料的能量状态变化有关，一部分迟滞能没有耗散掉而是贮存在材料中，这 部分能量被称为储能。t a y l o f 、f a 玎饥测量了材料塑性变形过程中的热产生，发现 热耗散率与塑性功率的比值约为0 9 。b e v c r 也进行了大量的有关试验。在此以后， 许多学者都对材料加工硬化过程中热耗散的比例这个问题进行了研究。 h i g u c l l i 利用非接触式测温仪测量了钢试样承受旋转弯曲疲劳载荷过程中的表 面温度变化，指出在整个疲劳过程中每循环产生的热能几乎是一个常数，并得到 了它与应力的关系。她将这一关系用于估算疲劳缺口系数。 h 锄叮【2 4 】研究了钢在扭转疲劳下的热响应，发现热耗散量是应力幅的函数，但 在疲劳初期它们之间的关系很不确定，可能与材料的原始状态有关。 l 锄t e i g n e d 【2 5 】等假设疲劳过程的热耗散处于稳定状态，每个循环中的热耗散为 常数，并且温度达到一个稳定分布，并根据假设的温度分布计算了热耗散。 b l o t i l y 【2 6 】【2 7 】等用电流模拟材料疲劳自热源，用电流给试样加热，并将电加热 温度峰值与疲劳自热温度峰值进行比较，用电热源强度来表征热耗散能量。 b i r o l 【2 8 】利用能量平衡的概念研究疲劳裂纹扩展过程中吸收能量的分配。利用 裂尖塑性应变分布和材料流变行为获得裂尖塑性区储存的能量，并假设与裂纹表 面相关的能量可以忽略，从而间接地获得热耗散。他发现塑性区内缺陷结构变化 所导致的能量变化很小并且随着裂纹扩展而增加，在裂纹失稳扩展开始时这种增 加非常显著。 w 0 n g 例等将有限差分法和最小二乘原理结合起来计算热耗散，该方法可以适 用于非稳态的问题。他们发现热耗散占机械功的8 5 至9 5 ，并且在开始阶段变 4 ， 一， ，+ 一j 。17 ：，。、。? p + ，。7 、，i ，t i 东北大学硕士学位论文 一 第l 章绪论 化剧烈，表明开始阶段损伤累积很快。在不同的载荷条件下，尽管总机械功变化 很大，但总储能基本上没有变化，表明总储能是一个材料常数。 蹦e d 3 0 】等研究了材料在疲劳极限载荷状态下的储能，认为有一部分储能与循 环过程中的各种回复过程有关，对疲劳损伤没有影响，因此定义了一个流变函数 来考虑这些回复过程。他们研究表明：在疲劳极限下约3 4 8 的机械功储存在材料 中。并认为疲劳过程是个稳态过程，每循环累积的能量是个常数。 童小燕【3 1 】【3 2 】等用红外热像仪测量到在循环稳定阶段( 亚稳定平衡状态) 自热 温升随循环数平稳上升，且与应变水平的对数呈线性关系，并且与加载速率有关 同时讨论了循环过程的热耗散，认为导致疲劳损伤的能耗应当是抛弃了热耗散后 的总塑性应变能，并提出有效能耗比的概念。 1 2 2 疲劳能量耗散理论中能量的分布 疲劳过程是一个复杂的能量耗散的过程。在这个过程中出现了多种形式的能 量，包括弹性应变能、塑性应变能、滞弹性内耗、热耗散、储能、声发射等等。 分配状态和过程如图1 1 所示： 图1 1 疲劳损伤过程能耗结构 f i g 1 1f 洫e f g yd i s s i p 撕蛐m c t l l 豫d u r i n gf a t i g p c e 豁 由图1 1 可知机械能首先以弹性应变能、塑性应变能、滞弹性应变能的形式将 能量传递给试样，然后试样再以储能、热耗散、声发射等形式将能量好散掉。其 中弹性应变能对应的是材料晶格发生的可瞬间恢复的变形，它对损伤几乎没有影 响。滞弹性内耗对应于材料变形的滞后，是时间相关的和条件可逆的。在高周疲 5 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 劳情况下，材料只在微观范围进入塑性，滞弹性内耗对疲劳损伤有重要作用。在 低周疲劳情况下，材料微观组织发生完全不可逆的畸变，材料大范围进入塑性， 塑性应变能是产生损伤的主要原因。而应变能的耗散大体分为两部分，一部分转 化为热能，声能等能量形式耗散出去，其中热能占其中的绝大部分，热耗散率与 塑性功率的比值约为0 9 ；另外一部分能量储存在材料内部，表现为材料显微结构 的变化。 1 2 2 1 弹性应变能 金属的弹性行为起源于其晶体点阵内原子的相互作用吸引作用和排斥作 用。在没有外力的情况下，金属处于最低的能量状态，吸引力和排斥力达到平衡。 当外力迫使原子靠近或分开时，平衡被破坏，在外力、吸引力和排斥力之间建立 新的平衡，使原子稳定在新的平衡位置上，于是金属发生变形。如果外力不足以 使晶体内部产生质的变化( 即不可逆的变化) ，例如位错的不可逆运动( 塑性变形) 或裂纹形成与扩展，当外力消失后，新的平衡被破坏，原子将恢复到原来位置以 达到吸引力和排斥力的平衡，物体在宏观上恢复原状。这就是弹性变形的物理过 程。 理想的弹性变形是完全可逆的，其本质是金属晶体内部发生的暂时的平衡破 坏，并没有不可逆的显微结构变化。弹性变形所产生的弹性应变能实际是金属在 新平衡态时比原平衡态提高的能量，随着金属回复到原平衡态，金属重新处于能 量最低的状态，这部分能量耗散掉了。经历弹性变形后的金属自由能没有变化， 微观结构也没有变化，因此弹性应变能对疲劳损伤没有影响。 实际上，理想的弹性变形是不存在的。由于金属显微结构中不可避免地存在 各种点阵缺陷，使得即使在宏观弹性极限以下，也会有局部材料进入微观塑性状 态，而这种局部微观塑性变形正是弹性极限以下的循环载荷产生疲劳损伤的原因。 1 2 2 2 滞弹性内耗 理想的弹性体是不存在的。实际的弹性体在一定的外力作用下，除产生一个 瞬时应变7 外，还会有一个随时间变化的驰豫应变占，如图1 2 所示。这一现象 称为弹性蠕变。当应力去除时，一部分应变随时间的延续而逐渐恢复。这一现象 6 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 称为弹性后效。弹性蠕变和弹性后效都是在弹性范围内表现出应变的驰豫现象， 统称为滞弹性【3 3 】。 。“一 。9 。”z 。| 口 滞弹性体在交变应力作用下，存在落后于应力的驰豫应变。图1 3 为滞弹性 变形应力、应变与时间的关系曲线。伊占曲线形成一个封闭回线，其面积即为应力 交变一周时振动能量在材料内部的损耗，以热能的形式释放出来，于是产生了滞 弹性内耗。 图1 2 滞弹性现象图 f i g 1 2a n e l a s t i c i t yp h 锄伽锄o n 1 2 2 3 塑性应变能 1 3 滞弹性变形盯，g 与f 的关系 f i g 1 3r 七l a t i o n s h i pb e c 、 e 朋口，国n d ，i n a l a s t i c 时 金属产生塑性变形的基本机理是晶体( 晶粒) 一部分相对于另一些部分的晶 内剪切移动，这种移动靠多种形式的位错运动而实现，主要是位错的滑移、孪生 以及形变带的形成，另外还有在扩散过程起重要作用的晶间塑性变形。塑性变形 是不可逆的，其微观根源在于材料显微结构发生的不可逆的畸变，因此塑性变形 与疲劳损伤有直接的关系。 消耗于塑性变形的能量并不全部转化为热。与晶格缺陷( 位错、空位、形变 晶界等) 有关的那一部分能量以形变累积能( 储能) 的形式残留在形变金属中， 7 - 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 从而引起了晶体物理性能的改变，如变形抗力的提高、电阻的增大、各种扩散过 程的加强等1 3 4 1 。 1 2 2 4 储能 能量的存储有多种机制，包括点阵畸变( 即弹性应变能) 和点阵缺陷。弹性 应变能在总储能中所占的比例很小，大约是3 ，因此存储能大部分是由于点阵缺 陷引起的。点阵缺陷包括点缺陷、位错( 线缺陷) 和面缺陷。这部分能量是构成 疲劳破坏的根源所在，位错增殖、堆积等动力学过程都将对材料内储能的变化产 生重大的影响，在光学显微镜下可以明显看出大个变形孪晶对存储能没有明显作 用，而尺寸很小的孪晶和堆垛层错会对存储能产生影响。x 射线技术可以确定堆 垛层错和孪晶缺陷的几率【3 5 1 ，因而可以估计出材料中孪晶造成的能量分布。但是， 各种缺陷之间还存在着各种复杂的相互作用，从而改变周围晶体的能量状态，因 此从微观角度去研究储能或者说晶体的能量状态是不现实的。 1 2 2 5 热耗散 不可逆热力学过程的重要现象就是有大量的机械能转化为热，热能不可避免 地成为不可逆热力学过程的副产品。大量研究结果也表明，疲劳过程中有大量热 能产生。尽管热耗散在总应变能中所占的比例有不同的结论，但是可以肯定地说， 热耗散是疲劳损伤过程中的重要能耗现象，它在疲劳过程中的各种能量耗散形式 中占有很重要的地位。 材料形变过程中的热耗散是由内摩擦引起的，即晶体( 晶粒) 一部分相对于 另一些部分的晶内剪切移动，由于摩擦而产生热。另外在塑性变形期间，运动位 错将原子震荡，使得能量大部分转换为热。因此，在材料的不同部位，由于缺陷 分布和运动的差异，各材料体积单元中产生的热能不相等，使得试样内部发生热 传导并且在试样与环境之间产生热交换。材料温度的升高取决于产生热量的多少、 自热源的分布与强度、材料的密度、比热、热传导特性以及热交换环境等。 材料形变过程中产生的热能是材料晶体显微结构演化的伴随产物，它本身与 材料的损伤演化过程没有直接的联系。热耗散的多少能够反应材料不同的破坏过 程之间的差异，也体现了材料形变过程的不可逆特征。 8 ：。 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 2 2 6 声发射及其他 材料在变形过程中储存了弹性应变能，部分弹性应变能突然释放引起原子振 动，从而产生声发射。声发射源一般位于微观应变集中处。声发射和塑性变形过 程是不可分的，因为只有通过塑性变形才能使应变集中得以释放。如果塑性变形 与材料弹性波速度相比足够快，则部分应变能弹性释放并在试样中扩展。 声发射产生的最普遍的机理是位错运动。位错是线缺陷，可以在晶格中快速 移动，产生应变能，并与其他缺陷产生交互作用。但并不是所有的位错运动都会 产生声发射，声发射的主要机制是位错堆积和多交滑移l 刈。 通过研究材料疲劳过程中的声发射规律和位错演化、微裂纹扩展规律，可以 建立声发射信号( 如声发射次数、声发射强度等) 与疲劳损伤的关系。因此在实 际应用中可以通过检测疲劳过程中的声发射信号来监测疲劳微裂纹的扩展和预测 疲劳寿命【3 7 4 。 1 2 3 能耗机理研究 1 2 3 1 微观机理 微观金属 自由能 键的破坏是以 自由能的积累 和释放来触发 的，任何一个不 可逆过程都是 向着自由能减 少的方向进行 的，但在这个过 程中原有结构 或组成的破坏 是不可能自发 进行的需要外 图1 4 疲劳破坏过程中自由能变化 f 遮1 4f 他ce n o r g yc h 锄g 懿d t i r i n gf 砒i 母圮d 锄a g pp r 峨s s 时间 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 界的能量输入，即吸收能量；在完成破坏以后在组成新的结构或组成时又会放出 能量，但放出的能量大于吸收的能量，总体上表现为自由能的减少。同样在材料 疲劳过程也是一个不可逆过程，在这个过程中，其显微结构在亚稳定破坏达到新 的稳定状态之前，必须获得所需的激活能。对应于显微结构由原始稳定态一亚稳 定态一失稳一新的稳定态的变化规律，材料自由能变化过程可以描述为：应变能 累积使材料自由能不断升高，材料内部发生位错增殖、位错组态演化等一系列非 平衡自组织现象；在自由能升高到某一临界值，即亚稳定平衡态破坏所需要的激 活能时，宏观裂纹产生并快速扩展，材料失稳，形成两个分离的独立体，系统自 由能降低到一个新的最小值，即材料发生破坏而出现新的稳定态，这个过程如图 1 4 所示。 当材料处于由亚稳态向新的稳定态转变的临界状态时，对于实际结构，材料 已不能安全服役，即在工程意义上材料已经破坏。在此前的过程中，材料自由能 一直在增加，疲劳损伤一直在累积。因此，尽管材料疲劳过程中的显微结构变化、 各种位错动力学过程不容易定量描述，但利用自由能的变化能够将微观角度的显 微结构变化与宏观上的疲劳损伤过程联系起来。 以上分析可以发现，采用自由能变化来描述材料损伤状态，当自由能达到某 临界值时材料失去稳定，从宏观角度认为材料发生破坏。 固态金属存在以下热力学关系： g = 胡一瑚冬e 一娜兰f( 1 5 ) 其中：g g i b b s 自由能( j ) ，严h e l m h o l t z 自由能( j ) ，俨内能( j ) ，俨焓( j ) ， 争熵( j 依) ，严绝对温度( k ) 。对于原子过程，总熵变化包括组态熵和振动熵， 即 s = s 组态+ s 振动 ( 1 6 ) c 删l 利用b o l t z m 锄方程估计了位错造成的组态熵和振动熵，认为常温下位 错引起的熵变非常小，与应变能相比可以忽略，可以认为自由能变化g 基本上等 于应变能或位错引起的内能变化玑这种论点可以扩大到位错