（机械设计及理论专业论文）高温合金焊接机匣疲劳寿命研究.pdf

k n a n ji n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g ya n d p o w e r e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nl i f e t i m ee v a l u a t i o no fg h 416 9c a s i n g a t h e s i si n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y b y g o n gw e i y o n g a d v i s e db y p r o f e s s o rg u o h a i d i n g s u b m i t t e di np a v i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 一 r ， 承诺书 舢 l y 1 8 1 0 0 6 9 ” 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：玺址 日 期：翻蝤捌埘 一 l 南京航空航天人学硕士学位论文 摘要 本文依据断口形貌具有分形特征的基本事实，将分形理论与损伤力学结合，以航空常用 材料g h 4 1 6 9 高温合金的电子束焊接接头为研究对象，对其进行了疲劳损伤分析和寿命预估。 论文通过g h 4 1 6 9 焊接接头的疲劳试验，得剑了焊接接头的卜曲线，并且对焊接接 头的宏观损伤量的演化过程进行了研究。此外，对应变片测得的焊接接头廊变历稃进行了研 究。 借助扫描电子显微镜，对不同载荷下的g h 4 1 6 9 焊接接头疲劳断口的宏观和微观形貌进 行分析，研究发现g h 4 1 6 9 焊接接头的疲劳源均起源于焊缝表面。 论文同时结合二次电子扫描图像和计盒维数法，得剑了焊接接头断口的分形维数，建立 了分形维数一载荷及分形维数一寿命之间的关系。 根据分形损伤量的定义，推导了g h 4 1 6 9 焊接接头的高周分形损伤演化方程；然后结合 疲劳试验的宏观损伤量与断口分形维数计算结果，得到了分形损伤量，并对宏观损伤演化过 程和分形损伤演化过程进行了比较；确定了g h 4 1 6 9 焊接接头的高周疲劳分形损伤统一演化 方程。 论文最后运用蒙特卡罗法初步建立了g h 4 1 6 9 焊接机匣的寿命预测模型，通过该模型得 到了机匣不同可靠度下的寿命。 关键词：焊接接头高周疲劳断口分析分形损伤寿命预测 r e s e a r c h e d q u a l i t a t i v ea n a l y s i s i sa p p l i e dt om a c r oa n d m i c r od a m a g eo fg h 4 1 6 9w e l d e dj o i n ta n d f r a c t u r es u r f a c em o r p h o l o g i e so fg h 416 9w e l d e dj o i n t si nd i f f e r e n tl o a dl e v e l sw i t hs c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p ei sa n a l y z e d i ti sf o u n dt h a ta l lf a t i g u es o u r c e sa r ea tt h es u r f a c eo fg h 416 9 w e l d e dj o i n t s b a s e do nt h ef r a c t a lt h e o r y , t h ef r a c t u r es u r f a c e so fg h 4 16 9w e l d e dj o i n t sa r ea n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y t h ef r a c t a ld i m e n s i o n so ft h ec r a c ks u r f a c e sa r eo b t a i n e db yb o x - c o u n t i n gm e t h o d ， w h i c hi sb a s e do nt h es e c o n d a r ye l e c t r o ni m a g e s ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o n s a n dl o a d i n g sa sw e l la sf a t i g u el i f ea r ee s t a b l i s h e d m o r e o v e r , t h eh i g hc y c l ef a t i g u e f r a c t a l d a m a g ee v o l u t i o no fg h 4 16 9w e l d e dj o i n ti s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no ff r a c t a ld a m a g e b a s e do nt h er e s u l to ff a t i g u et e s t sa n d f r a c t a ld i m e n s i o n so ft h ef r a c t u r es u r f a c e s ，au n i f i e de q u a t i o nf o rh i g hc y c l ef a t i g u ef r a c t a ld a m a g e e v o l u t i o nd e p e n d e do ns t r e s s e si se s t a b l i s h e d f i n a l l y ，f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o no fe b wg h 4 1 6 9c a s i n gi sp r e s e n t e dw i t ht h eh e l po f m o n t e - c a r l om e t h o d ，t h el i f ep r e d i c t i o nf o re b wg h 4 1 6 9c a s i n gi so b t a i n e d ，i nw h i c ht h e r e l i a b i l i t yi n d e xi s9 9 8 7a n dc o n f i d e n c ei s9 5 k e y w o r d s ：w e l d e dj o i n t ，h i g hc y c l ef a t i g u e ，a n a l y s i so ff r a c t u r es u r f a c e ，f r a c t a ld a m a g e ，l i f e t i m e p r e d i c t i o n n 南京航空航天大学硕十学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 工程背景1 1 2 焊接接头疲劳研究1 1 3 损伤力学的研究与发展3 1 4 疲劳断口分析技术4 1 5 分形在材料力学行为中的应用5 1 6 本文主要研究内容6 第二章g h 4 1 6 9 高温合金焊接接头疲劳试验研究7 2 1g h 4 1 6 9 高温合金简介7 2 2g h 416 9 高温合金焊接试样制备7 2 3g h 4 1 6 9 电子束焊接接头疲劳试验。7 2 3 1g h 416 9 焊接接头常规力学性能试验7 2 3 2 试验设备8 2 3 3 疲劳试验参数的选取l o 2 3 4 疲劳失效判据l l 2 3 5 试验步骤1 1 2 3 6 试验数据1 2 2 4g h 4 1 6 9 焊接接头s 曲线1 3 2 5g h 4 1 6 9 焊接接头宏观损伤研究1 5 2 5 1 宏观损伤量的测量1 5 2 5 2g h 4 1 6 9 焊接接头宏观损伤演化1 6 2 6 引伸计与应变片的应变历程比较1 8 2 6 1 试验数据的提取1 8 2 6 2 应变片的应变幅值变化l9 2 6 3 应变片的应变峰值变化2 1 2 7 小结2 3 第三章g h 4 1 6 9 焊接接头断口试验研究2 4 3 1g h 4 1 6 9 焊接接头断口电镜试验2 4 3 1 1 试样制备2 4 i i i 高温合金焊接机匣疲劳寿命研究 3 1 2 试验设备2 4 3 1 3 试验参数的选取2 5 3 2g h 4 1 6 9 焊接接头断口形貌分析2 5 3 2 1 断口宏观形貌分析2 5 3 2 2 断口微观形貌分析2 6 3 3g h 4 1 6 9 焊接接头断口分形维数研究3 2 3 3 1 分形维数及测定3 2 3 3 2 分形维数载荷及分形维数一寿命的关系3 3 3 3 小结3 7 第四章g h 4 1 6 9 焊接接头分形损伤演化模型。3 8 4 1 分形损伤变量的定义3 8 4 2 损伤演化方程3 8 4 2 1 高周疲劳损伤演化方程3 9 4 2 2g h 416 9 焊接接头分形损伤演化方程4 0 4 3g h 4 1 6 9 焊接接头断口分形损伤董4 l 4 4g h 4 1 6 9 焊接接头疲劳分形损伤演化方程4 4 4 4 1g h 416 9 焊接接头分形统一演化方程4 4 4 4 2 口1 、l 对损伤曲线的影响4 8 4 5 小结4 9 第五章基于损伤力学的机匣疲劳寿命预测5 0 5 1 损伤结构有限元分析方法5 0 5 2 机匣的有限元分析5 1 5 2 1 无转接段机匣有限元分析5 2 5 2 2 加转接段机匣有限元分析5 5 5 3g h 4 16 9 焊接机匣疲劳寿命预测5 7 5 3 1g h 4 1 6 9 焊接机匣疲劳寿命预测的步骤5 7 5 3 2 基于蒙特卡罗法的g h 4 1 6 9 焊接机匣疲劳可靠性寿命估算5 7 5 3 3 分散系数法与蒙特# 罗法机匣可靠性寿命比较6 0 5 4 ，j 、结6 1 第六章总结6 2 墅定谓 6 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 4 i v 南京航空航天大学硕十学位论文 参考文献6 5 附录6 8 v 高温合金焊接机匣疲劳寿命研究 图表清单 图2 1g h 416 9 高温合金焊接试样7 图2 2g h 4 1 6 9 焊接接头拉伸断裂后试样8 图2 3g h 4 1 6 9 焊接接头拉伸应力一应变曲线8 图2 4m t s8 0 9 液压伺服材料疲劳试验机9 图2 5 应变片的粘贴位置9 图2 6d h 5 9 3 5 动态信号测试数据采集器1 0 图2 7 应变片信号采集系统连接示意图1 0 图2 8 疲劳寿命曲线1 5 图2 93 6 # 试件宏观损伤演化( 盯= 9 6 0 m p a ) 1 7 图2 1 04 0 # 试件宏观损伤演化( o - = 9 6 0 m p a ) 1 7 图2 1l0 1 # 试什宏观损伤演化( 仃= 9 3 0 m p a ) 1 7 图2 1 22 6 # 试件宏观损伤演化( o - = 9 3 0 m p a ) 1 7 图2 1 33 2 # 试件宏观损伤演化( 仃= 8 6 8 m p a ) 1 7 图2 1 44 1 # 试件宏观损伤演化( o - = 8 6 8 m p a ) 1 7 图2 1 51 9 试件宏观损伤演化( 仃= 8 0 6 m p a ) 1 8 图2 1 62 0 # 试什宏观损伤演化( 仃= 8 0 6 m p a ) 1 8 图2 170 7 # 试件宏观损伤演化( 仃= 7 5 0 m p a ) l8 图2 1 81 5 j ! i ! 试件宏观损伤演化( o - = 7 5 0 m p a ) 1 8 图2 1 93 4 # 试件( 仃= 9 6 0 m p a ) 1 9 图2 2 03 6 # 试件( 仃= 9 6 0 m p a ) 1 9 图2 2 12 3 # 试件( 仃= 9 3 0 m p a ) 1 9 图2 2 22 4 # 试件( o - = 9 3 0 m p a ) 1 9 图2 2 33 0 # 试件( 仃= 8 6 8 m p a ) 2 0 图2 2 44 2 # 试件( 盯= 8 6 8 m p a ) 。2 0 图2 2 51 9 | f 试件( 仃= 8 0 6 m p a ) 2 0 图2 2 62 0 # 试件( o - = 8 0 6 m p a ) 2 0 图2 2 7l5 撑试件( 仃= 7 5 0 m p a ) 2 0 图2 2 8l7 f 试件( 仃= 7 5 0 m p a ) 2 0 图2 2 93 4 # 试件( 仃= 9 6 0 m p a ) 2 1 v l 1 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 3 03 6 # 式件( 仃= 9 6 0 m p a ) 。21 图2 3l2 3 # 试件( 盯- - - 9 3 0 m p a ) 21 图2 3 22 4 # 试件( 盯= 9 3 0 m p a ) 2 1 图2 3 33 0 # 试件( 盯= 8 6 8 m p a ) 2 1 图2 3 44 2 # 试件( 盯= 8 6 8 m p a ) 2 1 图2 3 519 挣试件( 仃= 8 0 6 m p a ) 2 2 图2 3 62 0 # 试件( o - = 8 0 6 m p a ) 2 2 图2 3 715 撑试件( 仃= 7 5 0 m p a ) 2 2 图2 3 8l7 撑试件( 盯= 7 5 0 m p a ) 2 2 图2 3 9 引起应变片应变下降原因2 2 图3 1 扫描电子显微镜。2 4 图3 2 试样断口对接形貌2 6 图3 3 放大5 0 倍g h 4 1 6 9 焊接件断口形貌2 8 图3 4 放大5 0 0 倍g h 4 1 6 9 焊接件断口形貌3 0 图3 5 放大1 0 0 0 倍g h 4 1 6 9 断口扩展区形貌3 1 图3 6 放大1 0 0 0 倍g h 4 1 6 9 焊接断口瞬断区的形貌( 0 6 拌试件) 3 2 图3 7 剪切后的g h 4 16 9 焊接件断口电镜照片一3 5 图3 8 分形维数一疲劳寿命关系曲线3 6 图3 9 分形维数一载荷关系曲线3 7 图4 13 6 # 试件宏观及分形损伤( o - = 9 6 0 m p a ) 4 2 图4 24 0 # 试件宏观及分形损伤( 盯= 9 6 0 m p a ) 4 2 图4 30 1 撑试件宏观及分形损伤( 盯= 9 3 0 m p a ) 4 3 图4 42 6 # 试件宏观及分形损伤( 仃= 9 3 0 m p a ) 4 3 图4 53 2 # 试件宏观及分形损伤( o = 8 6 8 m p a ) 4 3 图4 64 1 # 试件宏观及分形损伤( 盯= 8 6 8 m p a ) 4 3 图4 74 2 # 试件宏观及分形损伤( 仃= 8 6 8 m p a ) 4 3 图4 819 撑试件宏观及分形损伤( 仃= 8 0 6 m p a ) 4 4 图4 92 0 # 试件宏观及分形损伤( 盯= 8 0 6 m p a ) 4 4 图4 1 00 7 # 试件宏观及分形损伤( = 7 5 0 m p a ) 4 4 图4 11 15 # 试件宏观及分形损伤( 盯= 7 5 0 m p a ) 。4 4 图4 1 2 仃= 9 6 0 m p a 分形损伤演化曲线4 5 图4 1 3 盯= 9 3 0 m p a 分形损伤演化曲线4 5 v i i 高温合金焊接机匣疲劳寿命研究 图4 14 仃= 8 6 8 m p a 分形损伤演化曲线4 5 图4 15 仃= 8 0 6 m p a 分形损伤演化曲线4 5 图4 16 仃= 7 5 0 m p a 分形损伤演化曲线4 5 图4 179 6 0 m p a 和8 6 8 m p a 和7 5 0 m p a 分形损伤曲线4 7 图4 189 3 0 m p a 和8 0 6 m p a 和7 5 0 m p a 分形损伤曲线4 7 图4 19d ，一o - 曲线4 8 图4 2 0 不同口，的分形损伤演化曲线4 8 图4 2 1 不同届的分形损伤演化曲线。4 9 图5 1 损伤结构分析全解耦过程示意图5 0 图5 2 损伤结构分析全耦合过程示意图5 l 图5 3 损伤结构分析局部耦合过程示意图5 l 图5 4 无转接段机匣模型5 2 图5 5 无转接段机匣单元模型。5 2 图5 6 无转接段机匣弹性计算的等效应力云图。5 3 图5 7 室温下g h 4 1 6 9 焊接试件的应力应变曲线图5 3 图5 8 无转接段机匣弹塑性计算的筲效虑力分布云图。5 4 图5 9 安装边焊缝处的等效戍力分布5 4 图5 1 0 安装库焊缝处的等效应力分布5 4 图5 1 l 加转接段机匣模型5 5 图5 1 2 加转接段机匣单元模型5 5 图5 1 3 加转接段机匣弹塑性计算的等效应力云图5 6 图5 1 4 安装边焊缝处的等效应力分布图5 6 图5 1 5 安装座焊缝处的等效应力分布图5 6 图5 1 6d 0 的正态密度直方图5 8 图5 1 7 口的正态密度直方图5 9 图5 1 8 的止态密度直方图5 9 图5 1 9 无转接段机匣寿命预测结果直方图6 0 图5 2 0 加转接段机匣寿命预测结果直方图6 0 表2 1g h 4 1 6 9 焊接试件室温力学性能8 表2 2 试验分组情况和试验数据1 2 表2 3 试验有效数据1 3 表2 40 1 # 试件疲劳损伤测量结果1 6 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 表3 1 分形维数测量值3 6 表4 1 不同载荷下的分形维数及放大倍数4 2 表4 2 分形损伤演化方程拟合参数值4 6 表5 1 应力应变关系5 3 表5 2d o 、口、数值5 8 表5 3 机匣的可靠性寿命( 置信度9 5 ) 6 0 表5 4 寿命分散系数( 置信度9 5 ) 6 1 表5 5 蒙特旨罗法与分散系数法寿命比较( 置信度9 5 ) 6 1 i x 高温合金焊接机匣疲劳寿命研究 注释表 d 宏观损伤量 a s 木循环稳定时应变幅 卜分形维数 r 疲劳寿命 爿承载面积的损伤面积 a o 承载面初始面积 彳损伤后的有效截面积 d 广分形损伤量 万测量码尺 f 相对码尺 d 。典型域( 欧氏空间) 维数 厂损伤度的函数 口材料参数 1 南京航空航天人学硕士学何论文 第一章绪论 1 1 工程背景 机匣是发动机中的主要零部件之一。它是发动机支承转子和阎定静子的重要部件，发动机 的推力通过机匣传到飞机上。因此，机匣是发动机的重要承力和传力部件。此外，机匣还与其 他部件一起构成发动机的气流通道。在工作状态下，机匣承受发动机的气体载荷和质量惯性力。 这些载荷以轴向力、内压力、扭矩、弯矩、切力的形式作用在机匣上。此外作用在机匣上的还 有热负荷( 热端机匣) 、循环载荷和振动载荷，不同部位的机匣所承受的各类主要载荷是不同的 l l 】o 随着航空工业的发展，对发动机在推力和推重比等各项性能指标的要求越来越高，因此在 发动机的设计过程中采用了许多新工艺、新技术和新材料，焊接结构在航空发动机上也得到了 越来越多的应用，如发动机的机匣、火焰筒、盘鼓连接处等。 焊接结构能得到广泛的应用是与其所具有的优点分不开的，焊接接头的优点体现如卜：接 头构造合理，与铆接相比应力集中系数小，接头工作效率高，节省金属；可有效减轻重量，同 铆接结构相比，重量可减轻1 5 2 0 ，与铸件相比不仅工序少，生产周期短，而且重量减少更 多，比铸钢件减轻1 5 - , 2 0 ，比铸铁减轻2 0 3 0 2 。由于焊接结构的应用越来越广泛，焊 接结构的失效也越来越成为关注的焦点，对于焊接结构的研究和统计也成为结构设计中研究的 重点。据资料统计【3 】：焊接结构由疲劳裂纹引起的结构失效断裂事故占金属结构总断裂事故的 7 0 - 8 0 ，而金属结构由于疲劳而失效的约占8 0 9 0 左右。 据国内外统计表明【4 】机匣事故大部分是由疲劳引起的，而疲劳裂纹一般最容易发生在焊 缝处，这是由于焊缝疲劳强度较低，一般造成裂纹形成的原冈有：焊接质量不佳，焊接结构不 合理，焊缝腐蚀与杂质掺混等。尽管机匣大多数裂纹故障不会引起整机损伤或灾难性事故，但 如果裂纹扩展到人量漏气或机匣爆破开裂，后果也十分严重。另外，高温燃气从裂纹中露出， 使机匣外部管路、调节系统、操纵系统受到损坏，也会产生危险，造成重大事故。因此对机匣 的焊缝进行试验与研究就显得非常的重要。 根据以往的全尺寸机匣试验，燃烧室外套的安装座焊接接头处多次出现裂纹故障，证明安 装座焊接部位是机匣的危险部位。正是基于此种原冈，本文对g h 4 1 6 9 焊接接头的疲劳损伤进 行了研究。 1 2 焊接接头疲劳研究 从焊接结构的应用开始，人们就注意到焊接件同其他金属构件一样，应重视构件的疲劳强 1 高温合金焊接机匣疲劳寿命研究 度设训5 1 。上世纪2 0 年代，m o o rh f 等人就开始研究不同金属材料焊接件疲劳载荷下的试验 方法，指出焊接件疲劳试验与金属一般疲劳试验有所著异【6 。7 1 ，不仅应研究焊缝处快速凝同的金 属，还应注意焊缝两侧由丁金属的受热状态不同、组织和性能不同而产生的不同疲劳特性。但 是，由于当时检测手段不够完善，受试验设备的局限，同时焊缝中含有各类缺陷较多，试验数 据的分散性较大，规律性较差，因而理论的研究不够深入，对焊接结构的力学性能分析也不全 面。3 0 年代以后，世界上各t 业先进国家已经开始大规模应用焊接结构，特别是公路、铁路桥 梁、压力容器、船体结构、汽车、机车等结构j “泛采用焊接。由于当时缺乏设计和制造大型焊 接结构的知识和经验，疲必设计的规范不够完善，：r ：程的需要推动了理论的进展。焊接和疲劳 研究工作者们，采用常规金属疲劳性能的研究方法和手段，测定不同类型焊接形式的s n 曲 线及它们的疲劳极限，以适应疲劳强度设计的需要。在此期间，英、美、日研究的文章较多， 主要研究的内容是针对当时条件下的焊接r 艺、材料、焊剂等对焊缝疲劳性能的影响。5 0 年代 以后，焊接结构的强度研究由丁断裂力学的引入出现了生机和活力。研究表明，几乎所有的焊 接接头中，疲劳裂纹都明显地从预先存在的缺陷上开始，存在的这些缺陷可以看做是一条已经 开裂的裂纹。因此，绝人部分焊接结构的全部疲劳寿命都是由裂纹生长的阶段决定的。英国焊 接研究所学者g u m e yt r 致力丁焊接结构疲劳性能的研究，他在认真分析和研究了不同钢材、 不同焊接方式疲劳设计的规范，提出了疲劳条件下焊接缺陷的容限这一新概念【剐。2 0 世纪6 0 年代中期以后，随着近代焊接技术、冶金技术和电子计算机技术的发展以及焊接结构形式的不 断变化和新材料的出现，焊接结构疲劳理论研究和设计方法有了新的发展，各国纷纷修订疲劳 设计规范，自此焊接结构疲劳试验及其理论研究正处于大发展阶段。 我国焊接结构的疲劳研究起步较晚，最早是在铁路桥梁t 程中开展，现在船舶、起重设备、 建筑、各类机械，特别是重犁机器等焊接结构的疲劳没计也开始涉入这一领域，研究工作的重 点是针对各类产品建立和完善设计规范。 目前对焊接接头疲劳问题的研究，主要集中在两个方面：一个是从焊接工艺出发，研究焊 接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力等对其疲劳强度的影响，从而寻求最佳工 艺：另一方面则是针对既定的焊接f ：艺，寻求较准确的估算和预测焊接接头的疲劳寿命的方法， 进行抗疲劳设计，保证焊接接头的安全性。 国际焊接学会有关循环加载焊接接头结构的设计规范中指出，焊接接头的疲劳强度主要取 决于施加的应力幅利接头类型所决定的应力集中，并采用s 一曲线规范焊接接头疲劳强度与 寿命的关系。但是，s 一曲线并未反映接头的实际焊缝儿何形状和尺寸大小对焊趾应力集中程 度的影响，很难采用s 一曲线准确对焊接接头的疲哆7 强度和寿命进行精确估算。况且，要获 取材料的疲劳特性曲线需要人量的疲劳试验，积累有关数据，可行性较差。还有一些研究者通 过进行少量的疲劳试验，并根据某种规律建立材料和结构的疲劳寿命与应力或应变的关系，利 2 1 1 南京航空航天大学硕十学何论文 用试验数据确定相应的关系常数，根据这种关系可以对同一材料或结构在不同应力或应变下的 疲劳寿命进行预测。 随着越来越多的设备采用焊接结构，国内学者对焊接结构的疲劳问题也愈加重视。楼志文、 王铁军、程光旭1 1 等人较早展开了焊接区疲劳损伤研究，但是他们的研究没有将焊接接头作 为一个整体而是将焊缝和热影响区分开进行了研究，实际上是对两个不同区域的均质材料进 行的研究，并没有考虑力学性能不同的区域之间的相互作j h j 和影响。龙f 与云等f 1 2 】在d 3 6 钢焊接 对接接头的低周疲劳试验的基础上，利用m a n s o n c o f f i n 定律对试验数据进行了分形处理，得 出了焊接接头应变与疲劳寿命之间的关系，利用这一关系可以对任意应变下焊接接头的疲劳寿 命进行预测。 1 3 损伤力学的研究与发展 1 9 5 8 年，k a c h a n o v t l 3 1 在研究金属蠕变时提出了连续性冈子与有效应力的概念，并利用有效 应力给出了连续性因子的演变方程，标志着损伤力学的开端。1 9 6 3 年r a b o t n o v l l 4 】又定义了损伤 因子的概念。此后，l e m a i t r e 【l5 1 ，c h a b o c h e ，h u l t ，k r a j c i n o v i c 等一批学者，在损伤力学的基本 概念、方法等做了大量开创性的工作，从最初的蠕变损伤推广到弹性、塑性、粘塑性、脆性及 疲劳等损伤现象，也从金属扩展到复合材料、陶瓷、混凝十等非金属材料【1 6 】。 损伤是指由于构件存在微观空隙和微观裂纹，在外载和环境的作用下最终发生断裂或失效 的过程。根据材料学的观点，实际构件或材料中存在着某些微观缺陷( 如夹杂、气孔、位错等) 甚至宏观缺陷，材料在加工成构件时也难免产生各种表面或内部加上缺陷( 如刀痕、毛刺、划 伤等) 。损伤力学就是将物体的微观缺陷( 夹杂、气孔、位错、刀痕、毛刺、划伤等) 理解为连 续的变量场( 损伤场) i j 。而焊接接头由于存在各种缺陷，材料是菲均匀的，并且由于焊接热 循环的作用，使得焊接热影响区内有很强的组织梯度和力学性能不均匀性。针对焊接接头的这 些特点，采用损伤力学研究焊接接头具有很大的优势。 损伤力学的核心内容包括以下几个方面： l 、根据所研究问题的特点，引入适当的标量或张量型的损伤内变量，以反映内部缺陷对材 料物理性能的影响。损伤变量可以是与刚度或质量密度相关的，也可以是与微裂纹或微孔穴的 密度相关的，还可以是与有效应力相关的。损伤变量的物理含义可以通过单独的定义式来表达， 也可以由其在本构关系中的位置反推出来。 2 、建立损伤材料的本构关系。这通常是指包括损伤演化规律在内的对各状态变量之间关系 的描述。其建模原则可以是经验性的，也可以是由热力学或由细观力学的角度出发所得剑的。 然而不论通过哪种途径，如果要得到实用表达形式的话，我们都很难完全避免主观设定的成分。 此外，对于一个损伤本构模型的评价，应包括其适用范围、操作可行性及与实验的吻合程度等 3 高温合金焊接机匣疲劳寿命研究 指标。这是我们在建模过程中所应考虑剑的。 3 、损伤力学的计算实现。这包括对该昨线性藕合初边值问题一般性算法的研究，以及针对 某一类型损伤过程的特定计算模型的选取。损伤演化参数的获取( 如通过拟合) 也可以归划为这 方面的内容。 最近几年，国内和国外一些学者将损伤理论应用于多种领域并且做了大量的工作，例如 g z v o y i a d i s 【l8 j 等人对高应变率加载下的金属材料损伤模型进行了综述，着重介绍了连续损伤力 学模型的建立。c b a s a r a n l l 9 1 等人就锡铅焊表现出的蠕变疲劳及时间效应、温度效应、应力效应、 比例效应等特性，提出了基于热力学损伤概念的粘塑性模型，并考虑各向同性、随动强化及晶 粒尺寸的粗化演变。沈为1 2o j 等人根据疲劳过程中损伤演变与残余强度的关系，建立了实用的疲 劳损伤演变方程。尚德。- 1 2 1 1 等在连续疲劳损伤理论的基础上，根据疲劳损伤过程中材料韧性变 化的特点，建立了一种新的非线性疲劳损伤累积模型，并推导出在多级加载下该疲劳损伤累积 模型的递推公式。 1 4 疲劳断口分析技术 断口是断裂失效最主要的残骸，是断裂失效分析的主要物证，分析断口可以查明断裂发生 的原因，推断断裂所经历的过程，进而确定断裂性质，为防f ：断裂事故发生提供可靠依据，所 以断口分析在断裂失效研究中是十分重要的【2 2 1 。 根据所用研究的手段不同，有两种断口分析方法，即断口的宏观分析方法和微观分析方法 口3 1 。宏观分析是指用肉眼直接观察或在2 0 倍以下放人镜下观察断面；微观分析是指使用光学 显微镜或电子显微镜研究断口。宏观分析的任务主要是初步判定断口特征、形貌及可能的断裂 原因，尤其重要的是找出裂纹源的位置。微观分析的宗旨则是根据宏观分析的结果，选择断口 上的合适部位( 如裂纹源区域或裂纹扩展阶段的不同区域) 进一步作电子显微镜观察。宏观分 析和微观分析是断口分析的两个必不可少的组成部分，二者必须兼顾，才能对断口做出概况全 貌的整体了解和深入每一具体过程的正确结论。 目前，采用扫描电子显微镜( s e m ) 或透射电子显微镜( t e m ) 进行断口微观分析，已得 到广泛应用，几乎成为试验研究、一 程实际和失效分析等工作中不可缺少的测量方法。采用扫 描电子显微镜观察断口，其放大倍数可从十几倍到十几万倍，并且连续可调，景深大，图像立 体感强。利用扫描电子显微镜，可对断口进行低倍的全面观察，也可以对某些局部部位进行深 入的高倍观察，配合其他仪器，还能进行微区化学分析，这对于鉴别断裂处某元素浓度、非金 属夹杂物、腐蚀产物或氧化膜等是很有效的。采用透射电子显微镜观察断口，成像清楚，分辨 率高，景深大，放人倍数高；但是不能直接对断口进行观察，须制取断口复型，也不能在小丁： 1 0 0 0 倍观察。扫描电子显微镜已成为断口分析的主要一e 具之一【2 4 1 。 4 南京航空航天人学硕十学位论文 由于现代检测仪器、仪表的迅速发展，尤其是显微分析技术的迅速发展，加上完善的数学、 统计学和计算机模拟技术的引入，使断口学的研究不仅仅停留在定性方面，而且为断口定量分 析提供了依据。对于断口的定性分析已经相当成熟了，而分形理论的发展为断口定量分析提供 了一个很好的方法。 近几年，许多学者【2 5 - 2 7 1 针对焊接结构疲劳断口进行分析，并得到了一定的成果。如窦政平 等研究4 5 c r n i m o v a 钢真空电子束焊焊缝形貌，分析裂纹的成冈，讨论了防止措施。高灵清 掣2 9 1 对t a 5 钛合金焊板的疲劳断口形貌进行分析，观察断口疲劳辉纹的间距，得出焊缝和热影 响区的裂纹扩展速度高于基体。焊接部位有明显的缺陷，疲劳寿命分散性大。通过对其疲劳断 口的分析，可以了解其断裂的真实起冈。 1 5 分形在材料力学行为中的应用 分形理论在材料疲劳断裂方面的应用近年来日渐广泛，研究人员通过对疲劳裂纹的扩展以 及对疲劳断口形貌的分析，提出分形维数的计算方法，并进入微观层次上研究断裂的本质特征 与分形维数之间的关系，以应用在疲劳断裂方面。 分形一般是指“一个粗糙或零碎的几何形状，可以分成数个部分，且每一部分都( 至少会 大略) 是整体缩小尺寸的形状”【3 0 】，此一性质称为自相似。分形一词是由m a n d e l b r o t 于1 9 7 5 年提出的，有“零碎”、“破裂”之意。分形一般有以下特质：在任意小尺度上都有精细的结构； 太不规则，以至难以用传统欧氏几何的语言来描述；具有某种白相似的形式，可能是图形的近 似，也可能是统计的近似；“分形维数”( 以某种