（材料学专业论文）铸造铝合金多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的研究.pdf

摘要 摘要 随着汽车工业、城市轨道交通的快速发展，铸造铝合金等轻量化材料被越 来越多地应用于车用构件中，以替代钢、铸铁等传统材料，如汽车的缸体、轮 毂及磁浮列车的托臂、摇枕等关键构件都已大量使用铸造铝合金材料。由于汽 车、磁浮列车的关键构件通常处于多轴受力状态下，材料的循环变形行为与单 轴加载相比会有较大变化，疲劳寿命也更低，因此深入研究铸造铝合金材料的 多轴疲劳性能可以为构件的安全设计提供更为符合实际的数据参考，这对于铸 铝构件的安全应用是迫切需要的。目前，关于铸造铝合金疲劳性能的研究仍集 中在单轴加载上，为了给铸铝构件的应用提供更为全面、可靠的理论依据和数 据积累，开展铸造铝合金材料的多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的 研究具有重要的理论意义和工程应用价值。鉴于上述原因，本文采用宏观与微 观试验相结合的方法，系统地开展了z l l 0 1 铸造铝合金的多轴非比例加载低周 疲劳特性及微观机理的研究，主要内容如下： ( 1 ) 对z l l 0 1 铸造铝合金进行了单轴及多轴非比例加载低周疲劳试验，重 点分析了等效应变幅值和应变路径对材料多轴非比例加载低周疲劳特性及疲劳 寿命的影响。研究表明：随着等效应变幅值的提高，材料的循环硬化程度增大， 在非比例加载下，材料还产生程度较轻的附加强化；疲劳寿命随等效应变幅值 的增大而降低，且在相同的等效应变幅值下，材料的非比例加载低周疲劳寿命 显著低于单轴或比例加载的疲劳寿命；在不同的非比例应变路径下，材料的循 环硬化程度、附加强化程度以及疲劳寿命均表现出对应变路径的依赖性。 ( 2 ) 利用扫描电子显微镜及金相显微镜观察了z l l 0 1 铸造铝合金的疲劳断 口，着重分析了材料低周疲劳裂纹的萌生与扩展方式。研究发现：z l l 0 1 铸造铝 合金低周疲劳裂纹的萌生与扩展均与共晶硅相有密切联系；共晶硅颗粒的断裂 是疲劳微裂纹萌生的主要方式；在循环初期，疲劳微裂纹的扩展主要通过临近 已断裂的共晶硅颗粒相互连接进行，长大后的微裂纹以穿过o t a 1 基体互相连接 的方式形成贯穿性的主裂纹，并最终导致材料的破坏；疲劳条纹和( x - a 1 基体的 穿晶断裂是疲劳断口较为明显的特征。 ( 3 ) 利用透射电子显微镜观察了z l l 0 1 铸造铝合金多轴非比例加载低周疲 摘要 劳的位错结构，分析了等效应变幅值和应变路径对位错结构的影响。结果表明： 在多轴载荷下，随等效应变幅值的提高，材料的位错结构发生从交叉位错带向 位错胞结构的转化。但与比例加载相比，非比例加载方式使材料在更低的等效 应变幅值下便可形成胞状位错结构。等效应变幅值的增加和非比例加载方式均 有利于材料形成胞状位错结构特征。z l l 0 1 铝合金组织结构的均匀程度较差，缩 小了位错自由运动的空间是材料在等效应变幅值较低时难以形成胞状结构的主 要原因。 ( 4 ) 基于z l l 0 1 铸造铝合金的低周疲劳宏观、微观试验结果，重点分析了 z l l 0 1 铸造铝合金在多轴加载条件下循环变形行为的微观机理，并对材料多轴非 比例加载低周疲劳寿命显著降低的原因给出了微观解释。分析表明：在不同的 应变路径下，断裂硅颗粒的增长速率依赖于应变路径的变化，导致疲劳微裂纹 的萌生速率及扩展速率表现出对应变路径的依赖性，这是材料的非比例加载低 周疲劳寿命依赖于应变路径的主要原因；而在多轴非比例加载下，断裂共晶硅 颗粒的快速增长及断裂方式上的多样性是造成材料在相同等效应变幅值下多轴 非比例加载低周疲劳寿命显著低于单轴及比例加载低周疲劳寿命的主要原因。 ( 5 ) 利用z l l 0 1 铸造铝合金的疲劳试验结果，验证了常用的多轴非比例加 载低周疲劳寿命估算公式，并根据材料的多轴低周疲劳的微观机理，考虑应变 路径和附加强化的影响，对基于临界面法的疲劳寿命估算公式进行了修正，得 出的公式适用于z l l 0 1 铸造铝合金的多轴非比例加载低周疲劳寿命的估算，丰 富了现有的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式。 关键词：铸造铝合金，多轴疲劳，非比例加载，疲劳特性，共晶硅 h a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ea n du r b a nm a s st r a n s i t ，l i g h tw e i g h t m a t e r i a l ss u c ha sc a s ta l u m i n u ma l l o y sh a v ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n si nv e h i c l e c o m p o n e n t si np l a c eo fs o m et r a d i t i o n a lm a t e r i a l ss u c ha ss t e e la n dc a s ti r o n c y l i n d e r sa n dw h e e l si nv e h i c l e sa n ds l i pa r m sa n dt i e si nm a g l e vt r a i n sh a v ea l r e a d y b e e n p r o d u c e db y c a s ta l u m i n u ma l l o y sw i d e l y b e c a u s em o s to ft h e s e k e y c o m p o n e n t si nv e h i c l e sa n dm a g l e vt r a i n su n d e r g om u l t i a x i a ll o a d i n gi nw o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h e i rf a t i g u eb e h a v i o ra r ed i f f e r e n tf r o mt h o s eu n d e ru n i a x i a ll o a d i n ga n d t h e i rf a t i g u el i f eu n d e rm u l t i - a x i a ll o a d i n gi sm u c hl o w e rt h a nt h a tu n d e ru n i a x i a l l o a d i n g s t u d yo nm u l t i a x i a lf a t i g u eb e h a v i o ro fc a s ta l u m i n u ma l l o y sc a np r o v i d e m o r ec o m p r e h e n s i v ed a t af o rt h es e c u r i t yd e s i g no fv e h i c l ec o m p o n e n t sa n dt h e s e d a t aa r ea l s ov e r yn e c e s s a r yf o rc a s ta l u m i n u ma l l o y st ob ea p p l i e ds a f e l yi nv e h i c l e c o m p o n e n t s s of a r , m o s tr e s e a r c ho nt h ef a t i g u eb e h a v i o ro fc a s ta l u m i n u ma l l o y si s s t i l ll i m i t e di nt h e i rf a t i g u eb e h a v i o ru n d e ru n i a x i a ll o a d i n g ，i no r d e rt om a k et h e s a f e t yr e l i a b i l i t yo fa l u m i n u mc a s t i n g si ne n g i n e e r i n gb e a e r ，t h es t u d yo nl o wc y c l e f a t i g u eb e h a v i o ra n dm i c r o - - m e c h a n i s m su n d e rm u l t i - a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n g o fc a s ta l u m i n u ma l l o y si sag o o dt o p i cw i t hg r e a tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n d t r e m e n d o u sv a l u ef o rt h e i ra p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n g b a s e do nt h ea b o v er e a s o n s ， t h el o wc y c l ef a t i g u eb e h a v i o ra n dm i c r o m e c h a n i s m so fz l l 0 1c a s ta l u m i n u ma l l o y u n d e rm u l t i - a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gh a v eb e e nd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i s p a p e r ( 1 ) as e r i e so f t e s t sh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l yp e r f o r m e do nl o wc y c l ef a t i g u eb e h a v i o r o fz lio1a l l o yu n d e ru n i a x i a la n dm u l t i a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n g s ，a n dt h e e f f e c to fe q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d ea n dl o a d i n gp a t h so nt h ef a t i g u ec h a r a c t e r i s t i c s a n df a t i g u el i f eh a sb e e na n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw i t hi n c r e a s i n go f e q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d e ，t h ed e g r e eo fc y c l i ch a r d e n i n gi n c r e a s e sa n d al o w - g r a d e a d d i t i o n a lh a r d e n i n gi sd i s p l a y e du n d e rm u l t i a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n g l o w a b s t r a c t c y c l ef a t i g u el i f eu n d e rb o t hl o a d i n g sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fe q u i v a l e n ts t r a i n a m p l i t u d e ，b u tf a t i g u el i f eu n d e rm u l t i - a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gi so b v i o u s l y l e s st h a nt h a tu n d e ru n i a x i a lo rm u l t i a x i a l p r o p o r t i o n a ll o a d i n ga t t h es a m e e q u i v a l e n ts t r a i nr a n g e s t h ed e g r e eo fc y c l i ch a r d e n i n ga n da d d i t i o n a lh a r d e n i n ga n d f a t i g u el i f ea r ed i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tm u l t i a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gp a t h s ( 2 ) t h el o wc y c l ef a t i g u ef r a c t u r es u r f a c eo fz lio1a l l o yh a sb e e no b s e r v e da n d a n a l y z e du s i n gs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p ea n dm e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e t h e n c r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o ni nz lio1 a l l o yh a sb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a te u t e c t i cs i l i c o np a r t i c l e sh a v ea ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nc r a c ki n i t i a t i o n a n dp r o p a g a t i o ni nz lio1a l l o y t h ec r a c k i n go fe u t e c t i cs i l i c o np a r t i c l e si st h em a i n w a yo fm i c r o c r a c ki n i t i a t i o ni nz l io1 a l l o y a tt h ei n i t i a ls t a g eo fc y c l i cl o a d i n g ， l i n k a g eo fs o m en e i g h b o r i n gc r a c k i n gs i l i c o np a r t i c l e si st h em a i nw a yo fm i c r o c r a c k p r o p a g a t i o ni nz l i0 1a l l o y a f t e rm i c r o c r a c k sg r o w n ，t r a n s g r a n u l a rc o a l e s c e n c eo f m i c r o c r a c k st a k e sp l a c ei na 1m a t r i x ，f o r m i n gl o n g e rf a t i g u ec r a c k su n t i lt h ea l l o y f a i l s f a t i g u es t r i p sa n dt r a n s g r a n u l a rf r a c t u r ea r et h em a i nf e a t u r e si nt h el o wc y c l e f a t i g u ef r a c t u r es u r f a c eo fz l lo1 a l l o y ( 3 ) t h el o wc y c l ef a t i g u ed i s l o c a t i o ns t r u c t u r e so fz l l 0 1a l l o yu n d e rm u l t i - a x i a l n o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dc h i e f l yu s i n gt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y , a n dt h ee f f e c to fs t r a i na m p l i t u d ea n dl o a d i n gp a t h so nt h ed i s l o c a t i o n s t r u c t u r e sh a sb e e na n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tat r a n s i t i o ni nd i s l o c a t i o n s u b s t r u c t u r e sf r o mc r o s s s l i pb a n d st od i s l o c a t i o nc e l l so c c u r si nz lio1 a l l o y f a t i g u e du n d e rm u l t i - a x i a ln o n - - p r o p o r t i o n a ll o a d i n ga st h ee q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d e i n c r e a s e s c o m p a r e dw i t hp r o p o r t i o n a ll o a d i n g ，d i s l o c a t i o nc e i l so c c u ra tl o w e r e q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d eu n d e rn o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n g i n c r e a s i n go fe q u i v a l e n t s t r a i na m p l i t u d ea n dm u l t i - a x i a ln o n - - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gc a l lm a k ed i s l o c a t i o nc e l l s f o r m e de a s i e ri nz l l 0 1a l l o y t h em a i nr e a s o nt h a td i s l o c a t i o nc e l l sa r ed i f f i c u l tt o f o r mw h e nt h ee q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d ei sl o wi st h a tt h em i e r o s t r u c t u r eu n i f o r m i t y o fz llo1a l l o yi sp o o r , w h i c hd e c r e a s e st h em o b i l i t ys p a c eo fd i s l o c a t i o n s i v a b s t r a c t ( 4 ) b a s e do nt h em a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i ce x p e r i m e n t a lr e s u l t so fz l 101 a l l o y , t h em i c r o m e c h a n i s mo fl o wc y c l ef a t i g u eb e h a v i o ro fz l101a l l o yu n d e rm u l t i a x i a l n o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n gh a sb e e na n a l y z e da n dm i c r o - - m e c h a n i s me x p l a n a t i o no l lt h e d e c r e a s i n go fl o wc y c l ef a t i g u el i f eu n d e rm u l t i a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gh a s b e e nd i s p l a y e d t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en u m b e rg r o w t hr a t eo fc r a c k i n g e u t e c t i cs i l i c o np a r t i c l e si sd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gp a t h s ，w h i c hc a u s e s f a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o nr a t e sd e p e n d a n to nt h ec h a n g eo fl o a d i n gp a t h i ti st h em a i nr e a s o nt h a tt h el o wc y c l ef a t i g u el i f eo fz l10 1a l l o yu n d e rm u l t i a x i a l n o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gd e p e n d so nt h ec h a n g eo fl o a d i n gp a t h o n ei m p o r t a n t r e a s o nt h a tl o wc y c l ef a t i g u el i f eu n d e rm u l t i - a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n gi s o b v i o u s l y l e s st h a nt h a tu n d e ru n i a x i a lo rm u l t i a x i a lp r o p o r t i o n a ll o a d i n ga tt h es a m e e q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d ei st h ef a s ti n c r e a s i n gn u m b e ra n dm u l t i p l ec r a c k i n g o r i e n t a t i o no fc r a c k i n ge u t e c t i cs i l i c o np a r t i c l e su n d e rm u l t i - - a x i a ln o n - - p r o p o r t i o n a l l o a d i n g ( 5 ) b a s e do nt h el o wc y c l ef a t i g u ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fz l l0 1a l l o y , t h ec o m m o n m e t h o d sf o rt h em u l t i a x i a lf a t i g u el i f ep r e d i c t i o nh a v eb e e nt e s t e d t h e nc o n s i d e r i n g t h el o wc y c l ef a t i g u em i c r o - m e c h a n i s m so fz l l0 1a l l o ya n dt h ee f f e c to fl o a d i n g p a t h sa n da d d i t i o n a lh a r d e n i n go nf a t i g u el i f e ，t h ef a t i g u e l i f ec r i t e r i o nb a s e do i l c r i t i c a lp l a n ei sm o d i f i e dt os u i tf o rt h el o wc y c l ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o no fz l101 a l l o yu n d e rm u l t i - a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n g ，w h i c hh a sd e v e l o p e dt h ep r e s e n t m e t h o d sf o rl o wc y c l ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nu n d e rm u l t i a x i a ln o n - p r o p o r t i o n a l l o a d i n g k e yw o r d s ：c a s ta l u m i n u ma l l o y , m u l t i a x i a lf a t i g u e ，n o n - p r o p o r t i o n a ll o a d i n g ， f a t i g u eb e h a v i o r , e u t e c t i cs i l i c o n v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝储硌将 h 。7 年2 0 e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指剥雠：厶歹t 虱式学位敝储躲楷 删) 年月矽日 加巧7 年月2 口日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。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创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 能 锄净 签 加 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 1 1 1 材料的多轴低周疲劳 在机械零件和工程构件的三种主要失效形式，断裂、磨损和腐蚀中，疲劳 断裂约占机械断裂事故中的5 0 一9 0 ，由于疲劳断裂多是突然发生，常常导致灾 难性的设备和人身事故，给社会和生产带来巨大的损失，因此，世界多数工业 发达的国家对材料的疲劳研究非常重视，并要求重要的机械产品要进行疲劳强 度设计，把产品的疲劳性能作为一项重要的技术指标加以严格控制h t2 l 。 疲劳的研究最早始于1 9 世纪中期w s h l e r 对车轴的研究工作，之后材料和结 构的疲劳问题逐渐日益引起人们的重视。在过去的几十年中，科学工作者们对 单轴疲劳损伤及裂纹的形成和扩展进行了系统的研究，积累了大量的数据。然 而大多数的机械零件和工程构件，如汽车曲轴、连杆、压力容器、飞机涡轮发 动机等等，都是在多轴载荷下工作，承受着双轴或三轴的应力状态。在多轴载 荷下，材料的循环变形行为远比单轴载荷下复杂，疲劳寿命也大大降低，简单 地应用单轴疲劳模型来研究多轴载荷下材料的循环特性及疲劳寿命已不能满足 现代工业的设计要求，因此对更为符合实际的多轴疲劳研究在国际疲劳界越来 越受到重视。所谓多轴低周疲劳，是指循环载荷至少有两个或三个方向上施加 的应力( 或应变) 独立地随时间发生变化，它们的变化可以是比例的，也可以 是非比例的，而施加应力的大小则接近或超过材料的屈服极限，材料在每一个 应力一应变循环中均有一定数量的塑性变形，其疲劳寿命比较短，一般低于1 0 5 次循环。多轴低周疲劳问题涉及的范围十分广泛，目前对多轴低周疲劳研究的 重点是较比例加载更为复杂的非比例载荷下的多轴低周疲劳53 。近些年来，随 着新型计算机控制的电液伺服多轴疲劳试验机的出现以及显微技术的发展，为 多轴低周疲劳研究提供了有力的手段，从而使人们对多轴低周疲劳破坏行为的 研究取得了长足的进步。尽管已有很多的研究，但是由于疲劳研究是一个研究 对象极其广泛且存在大量经验性规律的研究领域，因此多轴低周疲劳的研究目 第1 章绪论 前仍处于数据积累阶段，对一些工程领域广泛应用材料的多轴低周疲劳研究就 更具有重要的理论意义和应用价值。 1 1 2 轻量化材料发展对多轴低周疲劳研究的要求 随着汽车工业、城市轨道交通的发展，为达到节约能源及环境保护的目的， 铝合金等轻量化材料被越来越多地应用于车用构件中，以替代钢、铸铁等传统 材料。车用铝合金可分为加工材、铸造件和锻件，目前在车用铝合金中，锻件 占1 - 3 ，加工材占1 7 - 1 9 ，而铸造铝件占8 0 左右，处于主导地位，倍受材料 研究者的关注j 3 。铝硅系铸造铝合金具有良好的铸造工艺性能和气密性，是各 类铸造铝合金中应用最多的铸造铝合金。目前，其消费量占到了世界原铝产量 的2 5 左右，占铸造铝合金总量的8 0 以上。而其中的主要合金牌号z l l 0 1 和 z l i o i a 由于具有良好的铸造性能、机械性能和抗疲劳性能，可用来生产各种形 状复杂、承受中等载荷的工程构件，譬如汽车上的活塞、轮毂、缸体、变速器 壳以及磁浮列车上的托臂、摇枕等等。尤其是z l l 0 1 铸造铝合金更是受到国外 汽车生产商的青睐，经过工艺改进及处理，其可以具有锻铝的某些优点，并使 疲劳强度等性能得到大幅度的改善，可广泛用于车用结构件材料? 卜1 。 安全设计数据的积累是车用轻量化材料五个重点研究工作之一，汽车、磁浮 列车的许多零部件的破坏不可避免地会因疲劳所致，按照传统的静力学方法设 计的构件已经远远不能适应车用安全可靠性的要求。轻量化材料的多轴疲劳失 效机理及寿命的预测由于缺乏必要的数据积累及理论研究，安全设计缺乏依据， 极大地限制了铝合金等轻量化材料在汽车、磁浮列车等领域的应用。因此铝合 金等轻量化材料的多轴低周疲劳理论研究已经成为日本、欧美汽车企业关注的 焦点问题之一。目前通用汽车已展开了对车用铝合金，特别是铸造铝合金的疲 劳行为研究，但现有的研究多集中在铸造铝合金的单轴疲劳行为上，而对其在 多轴载荷下的疲劳行为研究则相对较少，因此开展这方面的研究工作刻不容缓 n 2 。1 引。由于其复杂性、困难性并要求学科问的交叉联合，国际上尚未深入展开， 这一研究项目尚属国际前沿。因此，展开对铸造铝合金的多轴低周疲劳研究， 通过宏观与微观相结合的方法来揭示铸造铝合金多轴低周疲劳的微观机理，并 在机理研究的基础上建立适宜于铸造铝合金的多轴低周疲劳寿命估算方法，这 不仅对于丰富多轴疲劳理论具有重要的理论意义，而且对于铝合金等轻量化材 料在汽车、磁浮列车等领域的广泛应用更具有极大的实际意义。 2 第1 章绪论 1 2 多轴非比例加载低周疲劳的研究现状 1 2 1 多轴非比例加载低周疲劳寿命的估算方法 近年来，对多轴低周疲劳损伤累积和寿命估算方法的研究取得了很大进展， 提出了许多比较有效的疲劳模型。现有的对多轴非比例加载低周疲劳的寿命估 算方法主要有：等效应变法、临界面法、能量法以及它们之间的互相结合的方 法n 7 哪3 。 1 2 1 1 等效应变法 早期疲劳研究大都基于单轴应力状态的疲劳数据，很少注意到多轴疲劳破 坏机理。等效应变法的最初模型是用于单轴低周疲劳的著名的m a n s o n - c o f f i n 关 系式，在多轴低周疲劳研究中，由于m a n s o n c o f f i n 方程以应变作为损伤参量来 估算单轴拉压疲劳寿命，对许多材料给出了令人满意的结果，因而早期研究者 常常将单轴疲劳寿命判据推广到多轴疲劳中。m a n s o n c o f f i n 关系式表达如下： 鲤：鲤+ 堡：翌( 2 ，) 6 0 + ( 2 ，) c 。 (11222e 、 j i j 、j 。 式中，等、等、等分别为总应变幅、弹性应变幅、塑性应变幅，t 、 分别为疲劳强度系数和疲劳延性系数，e 为弹性模量，c o 分别为疲劳强度 指数和疲劳延性指数，这种单轴疲劳判据推广到多轴低周疲劳，有： 华：k ( 2 n s ) d ( 1 2 ) 式中，k ，d 为材料常数，屯为等效应变，它可以是最大剪应变、v o nm i s e s 等效应变以及最大总应变等等吨以2 。此后，很多研究者给出了不同的 m a n s o n c o f f i n 方程形式的修正方程。 m a n s o n 和h a l f o r d 弦2 1 考虑了应力状态对材料塑性的影响，通过引入多轴度 腼对v o nm i s e s 等效塑性应变加以修正，得到如下损伤参数： 心= m f a e 易 ( 1 3 ) 第1 章绪论 当卵l 时，m f = 阿；当万1 时，m f = i 杀，伊为三轴度，由下式确 定： 孤再；篆纛磊 n 4 ) 去k 一仃：) 2 + 亿一仃，) 2 + b q ) 2 由于在计算塑性应变时，要用到本构方程计算应力，因此使得1 3 式在实际应 用中受到一定限制。 b o n a c u s e 和k a ll u r i 乜3 ：进一步将以上修正的等效塑性应变扩展为总的v o n m i s e s 等效应变，得到如下损伤判据： 咄= ( 嘉) ( ，州嘉m 5 ， 夙f 均为材料常数。 以上几个判据均考虑了应力状态对材料疲劳性能的影响，是通过修正y o n m i s e s 等效应变而得到的，尽管修正后的等效应变法在寿命估算时有许多成功的 实例，但其存在明显的不足。由于不同的等效应变间的差异并不大，对于比例 加载情况，它们往往是有效的，且简单实用，但等效应变与寿命之间的关系缺 乏物理基础，不能反映多轴疲劳的破坏面，用这种方法来估算不同加载路径下 构件的疲劳寿命时，由于等效应变相同而估算出相同的疲劳寿命，但实际上在 相同等效应变幅值下比例加载与非比例加载的低周疲劳寿命却相差较大，这显 然是不合理的。等效应变法既不能考虑应力与应变在变形过程中的相互影响， 也不能反映加载路径的影响，因而此方法不适于非比例加载下的疲劳寿命估算。 1 2 1 2 临界面法 临界面法的建立是多轴疲劳理论发展中一次显著的进展。临界面概念基于 断裂模型及裂纹萌生机理，认为疲劳失效发生在某一特定的平面上，疲劳损伤 的积累、疲劳寿命的估算都在该平面上进行。基于临界面法分析多轴疲劳行为 可分为两步。第一，根据应力应变状态确定临界平面；第二，应用临界平面上 的应力应变参数进行疲劳失效分析。确定临界平面的方法有很多种，在低周疲 劳中有最大主应变平面、最大剪应变平面及最大应变损伤平面等等。临界面法 由于考虑了疲劳裂纹萌生及扩展的方向，具有一定的物理背景，在处理多轴疲 劳时结果比较理想，因此人们的高度重视并进行了广泛的研究。 4 第l 章绪论 b r o w n 和m i l l e r 娩们首先在低周疲劳领域中提出临界面法，他们认为疲劳裂 纹扩展由两个参量控制，一个是最大剪应变，另一个是最大剪应变平面上的法 向应变。他们认为裂纹第一阶段沿最大剪切面形成，第二阶段沿垂直于最大拉 应变方向扩展，并把裂纹形成分成两种情况。在拉一扭复合载荷下，主应变蜀和 岛平行于自由表面，裂纹沿着自由表面扩展称为类型a 。在双向拉压载荷下，主 应变晶垂直于自由表面，裂纹在最大剪切应变平面( 自由表面) 上萌生，进而 沿纵深方向扩展成为类型b 。b r o w n 和m i l l e r 将最大剪应变幅平面定义为临界 平面，建立模型： 7 一+ 。= c ( 1 6 ) 其中，s 为单轴材料常数，可由单轴对称拉压低周疲劳试验得到。 f a t e m i 和s o c i e 担5 1 的研究表明每种材料的断裂类型不随载荷而变，只取决 于材料本身。因此非比例加载下材料的破坏机制是与比例载荷相同的，只是损 伤累积率增加了。他们根据材料的破坏机制将材料分为剪切型破坏和拉伸型破 坏两种类型。对于拉伸型破坏的3 0 4 不锈钢，s o c i e 修正了s m i t h 等人提出的 s w t 参量，认为垂直于最大拉应力方向的裂纹扩展是疲劳寿命的主要阶段，因此 将最大主拉应变幅f 2 和最大主应变平面上的最大拉应力叫“作为损伤参 量，给出了如下寿命模型： 矿笺：占多一( 2 ，户蜘+ 譬( 2 ，) 2 ( 1 7 ) 对于剪切型破坏的i n 7 1 8 合金，s o c i e 考虑了平均应力对疲劳寿命的影响，在 k a n d i l 的模型中加入一个线性应力项，得到： 争+ 毛+ 警= p ) ( 2 ，卜+ ( 翌孚p ( 2 哆户+ 丢( 2 ，弘( 8 ， 其中型导为最大剪应变幅，占。为垂直于最大剪应变平面的正应变幅，吒。为垂 直于最大剪应变平面的平均正应力。 f a t e m i 阮6 1 认为上述模型不足以说明非比例加载下所产生的附加强化对寿命 的影响。因此建议将b r o w n 和m i l l e r 参量中的正应变占。变为最大剪应变平面上 的最大法向应力伊，从而得到： 第l 章绪论 争( 1 + 七等) = 【( 1 州譬( 2 桫+ ( 1w 杈2 n i ) 1 + 七晤( 2 桫】 ( 1 式中，仃。是材料的屈服应力，k 是和寿命相关的参数，可由单轴疲劳确定。此 模型由于引入了最大法向应力项，在一定程度上反映了非比例循环附加强化对 低周疲劳寿命的影响。 w a n g 和b r o w n 认为正应变仅在最大剪应变从最大变到最小的过程中对裂 纹扩展起作用，一旦最大剪应变改变方向，正应变历史影响就不再存在。因此 通过修正b r o w n 和m i l l e r 的临界面参量，得到如下一个与路径无关的损伤判据： 垒每坠+ 妇：【1 + + ( 1 一眈弦】譬( 2 ，卜+ 【1 + u p + - - k k ( 2 ，卜( 1 1 0 ) 式中全警为最大剪应变幅，为最大剪应变在最大值与最小值之间变化过程 么 中正应变的最大变化值。对于比例加载，上述模型等效于b r o w n 和m i l l e r 的模 型。 c h e n 心8 3 等将应变路径的非比例度引入损伤模型，同时认识到非比例循环加 载路径对弹性应变段的影响可以忽略不计这一事实，只考虑非比例循环路径对 塑性应变项的修正，以最大剪应变和最大剪应变面上的法向应变作为损伤参量， 建立了一个新的临界面模型： 垒每坚+ 毛：( 1 + ) 剖矿杉( 2 ，户+ 等( 2 ，卜 ( 1 1 1 ) 为加载路径的非比例度，为附加强化系数，n 为循环强化指数。试验表明， 该模型对剪切型破坏的4 2 c r m o a 高强合金钢低周疲劳寿命有很好的预测能力， 但对于拉伸型破坏材料寿命预测的有效性有待于进一步验证。 i t o h 和s a k a n e 乜筑等在对3 0 4 不锈钢进行的试验研究中，考虑到非比例加载 下疲劳寿命的减少与非比例循环附加强化密切相关这一事实，通过定义一个表 征非比例程度的参量，对最大主应变参数加以修正，得到如下损伤参数： 占胛= ( 1 + 万0 _ ) 占l ( 1 1 2 ) 式中占。为最大主应变变程，口表达了附加强化与材料的相关性，如为非比例 6 第1 章绪论 度，直接由应变历史得到，= 熹 n 跏孝o ) i 毛o ，孝o ) 为最大主应变占。慨 与在时间t 时的主应变毛( f ) 的夹角。 s h a n g 虻等也提出了一个基于临界面的等效应变参量： 等= 扣2 + 三c 争，2 1 3 ) 式中为临界面上的等效应变，= 去毛 1 + c o s ( 孝+ 刁) 】，j 7 是最大剪应变的 初始相位角，手为最大剪应变面上正应变的初始相位角。该准则既可以用于多 轴比例循环加载，也可以用于非比例加载情况，但该方法没有充分考虑不同加 载路径对损伤参量的影响。 临界面法充分考虑了裂纹萌生和扩展的机制，具有比较明确的物理意义， 可以根据疲劳裂纹的萌生和扩展类型、载荷