【金属极低周疲劳性能的研究的文献综述2300字】

金属极低周疲劳性能的研究的文献综述在1994年加利福尼亚北岭地震和1995年日本神户地震中，钢桥墩梁柱连接和柱底板连接都经历了极低周疲劳(ULCF)。这种ULCF引发的损伤会导致整个结构的渐进倒塌。ULCF的特征是在应变集中位置产生延性裂纹，然后在循环加载下稳定扩展，最后以脆性模式发生灾难性破坏。在循环荷载作用下，钢桥墩和梁柱连接的应变集中区域均存在ULCF现象。与传统的高周和低周疲劳不同，ULCF通常涉及较大的塑性应变幅值，且具有较少的循环加载周期(一般小于100次)。因此，ULCF在钢结构抗震设计中具有重要意义。ASTME1823-20b(2020)认为金属材料的疲劳失效是发生在材料点上的永久、渐进和局部化的变化过程。该材料点在承受变幅的循环应变和应力之后产生裂纹，并完成一定数量的循环后完全失效。上述疲劳失效的定义涵盖目前四类典型疲劳，即从“单调延性断裂”到“极低周循环疲劳”，再到“低周循环疲劳”和“高周循环疲劳”。图1-1描述了四类疲劳失效在应力与疲劳寿命对数坐标中的示意图，可以发现ULCF介于单调延性断裂(MF)和低周疲劳(LCF)之间。HCF通常指材料在106至108个循环范围内发生的失效行为，但低周循环疲劳和极低周循环疲劳两者之间的界限至今尚未达成统一的意见。Kanvinde和Deierlein(2004)认为材料LCF的循环次数在100-1000之间，而极低周循环疲劳ULCF则在10-20范围内；与此同时，Xue(2008)认为LCF的循环次数在100-1000之间，而极低周循环疲劳ULCF的循环次数在100以内。尽管低周循环疲劳和极低周循环疲劳存在以上认知的差异，但学者们普遍认为材料的塑性行为在由LCF或ULCF引起的失效中起着重要作用。图1-1四类典型疲劳失效示意图以往的文献主要集中在研究经典的高周疲劳HCF和低周疲劳LCF。其中高周疲劳HCF失效模式是应力控制的，材料在相对较低的应力水平循环超过104次,并在小应变幅值(小于屈服应变)下引发裂纹的萌生和扩展。此时，经典的断裂力学和基于应力强度和能量释放率的疲劳模型经常用于模拟此类具有有限塑性的高度约束裂纹尖端区域的脆性断裂和疲劳失效，例如钢结构桥梁或机械以及航空航天部件的疲劳预测。相比之下，低周疲劳LCF失效模式是应变控制的，材料在每个循环中产生的塑性和弹性应变与较大的加载应变幅值或较高的应力水平有关，且疲劳寿命小于104。针对金属材料LCF失效模式，学者们从上世纪50年代就开展了一系列试验来标定各种金属的材料常数。这一类的试验数据通常绘制在对数坐标轴上，其中横坐标表示寿命循环周期数，纵坐标表示塑性应变振幅。参考上述方法，Manson(1953)和Coffin(1954)提出了最广为人知的预测材料LCF失效的判定准则—Manson-Coffin定律。至于钢结构的单调延性断裂，已有文献提出了许多损伤模型。这些模型的应用需要开展一系列单轴试验，以便标定它们各自的模型常数。在这些模型中，临界等效塑性应变，应力三轴度以及Lode角参数在损伤力学中起着核心作用。而极低周疲劳ULCF失效模式介于单调加载失效和低周疲劳失效之间，该模式下的疲劳寿命受材料的延性以及循环应变控制，即拉伸加载下的初始损伤以及循环加载过程中的延性退化均会导致，裂纹的扩展，进而造成材料疲劳寿命缩减。极低周疲劳ULCF的疲劳寿命很短，一般小于100次。上述几种疲劳失效模式的内在区别在于断裂机理，其相应的破坏断面是迥然不同的，如图1-2(a)所示的辉纹是高周疲劳与低周疲劳的典型特征，而图1-2(b)所示的“涟漪状”韧窝是极低周疲劳的主要特征。由于极低周疲劳的断裂机理极其复杂，其破坏断面可能全部是由韧窝组成，也可能存在由裂纹萌生引发的图1-2(3)所示的“河流花样”的脆性断面。a疲劳辉纹断面b“涟漪状”韧窝断面c河流花样断面图1-2典型疲劳断面目前可采用的疲劳寿命预测方法有传统的断裂力学、Coffin-Manson公式、细观力学模型和连续损伤力学(ContinuumDamageMechanics，简称CDM)模型等。早期的研究主要是用断裂力学来研究钢及其焊缝的断裂性能。传统的断裂力学方法假定裂纹已经存在，且裂纹尖端存在一个高应变约束，所以这类方法主要适用于脆性或伪脆性断裂的研究，并不适用于延性断裂问题。而Coffin-Manson公式是预测钢的LCF寿命的主要方法，其精度已通过多项试验结果得到验证，但其对钢的ULCF寿命的预测有偏差。因此，传统的断裂力学方法和Coffin-Manson公式不适用于ULCF的损伤预测。与MF、LCF以及HCF相比，ULCF模型的研究还不成熟。关于ULCF，现有文献报道的力学模型可以分为耦合类型和非耦合类型。其中，耦合模型考虑了塑性和损伤之间的相互依赖关系，允许线性或非线性损伤演化，能够模拟裂纹萌生(损伤起裂)和裂纹扩展(损伤扩展)。损伤-塑性耦合模型的计算效率很高，由于塑性和损伤之间的相互依赖关系，模型参数的识别通常是一项复杂的任务。对于非耦合损伤模型，损伤和塑性假设是独立的现象，这导致更简单的方法需要更少的计算效率。非耦合类型的力学模型对于裂纹起裂预测非常有效，由于其假定塑性和损伤之间相互独立，所以它们的参数标定程序更加简单，且允许使用更精确的塑性模型来模拟材料的弹塑性力学行为。而学者们提出的基于微观空穴增长和聚结的力学模型也可以归为非耦合损伤模型，其主要包括循环空穴增长模型(Cyclicvoidgrowthmodel，简称CVGM模型)和有效塑性应变退化模型(DSPS)。这两种模型均将延性断裂中的裂纹归因于空穴形核、增长和聚集的过程，而这些可以由结构的应力三轴度和塑性应变进行特征。CVGM假设应力三轴度在加载过程中是一个变量，而DSPS模型则相反。由于可以同时考虑应力三轴和累积塑性应变对损伤累积的影响，因此CVGM的预测结果更加准确。在有限元数值模拟中，正确预测金属ULCF的断裂机制需要使用恰当的力学模型来量化材料的弹性与塑性部分，并能准确重