現(xiàn)代科技綜述知識(shí)文庫：多軸非比例加載下低周疲勞壽命估測(cè)

1、現(xiàn)代科技綜述系列多軸非比例加載下低周疲勞壽命估測(cè)科技是人類區(qū)別于動(dòng)物的重要文明之一，是人類對(duì)自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對(duì)科技基本概念“多軸非比例加載下低周疲勞壽命估測(cè)”的解讀，以供大家了解。多軸非比例加載下低周疲勞壽命估測(cè)疲勞破壞通常是工程結(jié)構(gòu)破壞的主要形式。疲勞問題受到多種因素的影響，如應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、環(huán)境、材料組織等，涉及到力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科，以往的研究主要集中于單軸狀態(tài)下的疲勞問題。然而，工程中的結(jié)構(gòu)元件如傳動(dòng)軸、渦輪機(jī)葉片、壓力容器等一般承受的是雙軸或三軸應(yīng)力狀態(tài)。由于單軸疲勞與多軸疲勞的破壞機(jī)制不盡相同，故在把單軸疲勞的研究成果推廣到多軸疲勞時(shí)并不能得到滿意的結(jié)

2、果，特別是在非比例加載低周疲勞時(shí)，將給出不安全的預(yù)測(cè)，所以迫切需要對(duì)多軸非比例加載下的疲勞進(jìn)行研究。隨著新型多軸疲勞試驗(yàn)機(jī)的誕生，使得這一方面的研究可能進(jìn)行。對(duì)多軸非比例循環(huán)加載下材料的循環(huán)本構(gòu)行為研究表明，非比例循環(huán)加載下材料的本構(gòu)行為與比例循環(huán)加載下有著本質(zhì)差別。材料在非比例循環(huán)加載下存在明顯的附加強(qiáng)化，其塑性流動(dòng)特性以及應(yīng)力、應(yīng)變遲滯回線的形狀與比例加載時(shí)均有較大差異。由于存在應(yīng)力的附加強(qiáng)化，從而導(dǎo)致非比例循環(huán)加載下低周疲勞壽命大大減少。低周疲勞壽命的研究，從50年代著名的曼森科芬(Manson-Coffin)公式問世以來已近40年，而對(duì)于多軸低周疲勞的研究，特別是對(duì)于在多軸非比例循環(huán)加

3、載下的低周疲勞研究只是近年才開展起來。所謂低周(應(yīng)變)疲勞是指疲勞應(yīng)力接近或超過材料的屈服極限，材料在每一個(gè)應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)中均有一定數(shù)量的塑性變形，其疲勞壽命比較短，一般低于105循環(huán)。1954年曼森(Manson)、科芬(Coffin)認(rèn)為對(duì)于單軸拉壓低周疲勞塑性應(yīng)變的積累是其破壞的主要原因，因此，以塑性應(yīng)變幅p作為損傷參量進(jìn)行疲勞壽命估算，可以較好地描述材料的低周疲勞行為。對(duì)于多軸低周疲勞破壞的損傷分析和壽命估算一般有3種方法：等效應(yīng)變法、能量法和臨界面法，但尚未形成一種對(duì)各種材料和載荷普適的理論，多為經(jīng)驗(yàn)的或半經(jīng)驗(yàn)的。1981年辛納斯(Sines)等提出的等效應(yīng)變法是將曼森科芬(Mansi

4、n-Ciffin)公式推廣用于多軸低周疲勞，其損傷參量為等效應(yīng)變eq，它可以是八面體剪應(yīng)變，最大剪應(yīng)變或馮密塞斯(Von Mises)等效應(yīng)變，這種等效應(yīng)變往往是從強(qiáng)度理論引伸而來。能量法認(rèn)為塑性形變功，的累積是產(chǎn)生材料不可逆損傷進(jìn)而導(dǎo)致材料疲勞破壞的主要原因，將這一概念成功地用于單軸低周疲勞后，許多學(xué)者將其推廣到多軸低周疲勞。1984年伊林(Ellyin)等采用密塞斯(Mises)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和冪律本構(gòu)關(guān)系，以破壞時(shí)多軸塑性形變功累積與單軸塑性形變功累積等效得到多軸疲勞壽命判據(jù)。臨界面法認(rèn)為疲勞破壞由破壞面及關(guān)于這個(gè)面上的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)來決定。首先計(jì)算疲勞臨界面上的應(yīng)力、應(yīng)變，然后，將

5、臨界面位置的應(yīng)力、應(yīng)變歷史轉(zhuǎn)化成累積的疲勞損傷。1973年布朗(Brown)和米勒(Miller)提出了由最大剪應(yīng)變面上的兩個(gè)參量控制疲勞破壞，即最大剪應(yīng)變max和所在面上的法向應(yīng)變。之后，不同學(xué)者選擇了不同的臨界面和損傷參量，對(duì)上法進(jìn)行了修正。在非比例循環(huán)加載下(即不同方向的循環(huán)載荷呈非比例加載)的低周疲勞，因其應(yīng)變主軸不斷旋轉(zhuǎn)，建立在等效應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系上的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不是唯一的，而取決于加載的非比例度。非比例循環(huán)加載將產(chǎn)生明顯的附加強(qiáng)化，并且明顯地影響疲勞壽命。1987年索西(Socie)對(duì)304不銹鋼低周疲勞研究的結(jié)果表明，在圓形路徑下，附加強(qiáng)化增加一倍，疲勞壽命減少90%；對(duì)In7

6、18合金，附加強(qiáng)化增加10%15%，疲勞壽命減少50%。因此必須對(duì)非比例循環(huán)加載下的低周疲勞及損傷積累規(guī)律進(jìn)行具體研究，否則將導(dǎo)致不安全的預(yù)測(cè)。1977年卡納扎瓦(Kanazawa)等研究了拉扭組合的非比例循環(huán)加載下的低周疲勞，認(rèn)為最大剪應(yīng)變面(臨界面)上的最大剪應(yīng)變max和法向應(yīng)變en控制疲勞損傷發(fā)展。研究表明，低周疲勞時(shí)，在相同等效應(yīng)變幅值下的非比例加載比比例加載產(chǎn)生更多的損傷，90相位差的非比例加載給出最短的疲勞壽命，而比例循環(huán)加載給出最長的疲勞壽命。他們還發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)變法用于非比例循環(huán)加載條件下是偏于危險(xiǎn)的。1980年雷斯(Leis)等對(duì)非比例循環(huán)加載進(jìn)行的損傷分析，支持了Kanaza

7、wa的觀點(diǎn)，但也指出采用純應(yīng)變進(jìn)行損傷分析的不足。有些研究者從能量法的角度開展了這方面的研究。1981年伽德(Garud)用每循環(huán)塑性功擬合疲勞壽命，按增量塑性理論，引入莫魯(Mroz)型強(qiáng)化律計(jì)算塑性功，處理比例加載和非比例加載疲勞。結(jié)果表明，預(yù)測(cè)偏于保守，誤差達(dá)3倍，因此建議一個(gè)權(quán)因子作用在剪應(yīng)變產(chǎn)生的塑性功上，文中取權(quán)因子為12。1987年索西(Socie)認(rèn)為由于非比例循環(huán)加載下存在附加強(qiáng)化，致使疲勞壽命減少，故壽命估算中應(yīng)考慮應(yīng)力項(xiàng)。對(duì)In718合金的剪切型破壞采用計(jì)入最大剪應(yīng)變面上的法向應(yīng)力no修正布朗(Brown)和米勒(Miller)的臨界面法，給出了用于預(yù)測(cè)非比例循環(huán)加載下低

8、周疲勞壽命的三參數(shù)判據(jù)。對(duì)于304不銹鋼的拉伸型破壞，則在史密斯(Smith)等提出的判據(jù)中引入了最大主應(yīng)變面的最大拉應(yīng)力1max。1988年法梯密(Fatemi)和索西(Socie)在研究SAE1045鋼時(shí)，對(duì)布朗和米勒(Brown and Miller)的臨界面模型進(jìn)行了另一種修正，即以臨界面上的最大法向應(yīng)力nmax代替法向應(yīng)變。以上考慮應(yīng)力修正的判據(jù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要一個(gè)精細(xì)的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算應(yīng)力。發(fā)展能描述材料非比例循環(huán)本構(gòu)行為的本構(gòu)方程，是近十年來國際上關(guān)于材料本構(gòu)關(guān)系研究方面的一個(gè)熱點(diǎn)，受到廣泛的重視。尤其重要的是對(duì)材料在非比例循環(huán)加載下附加強(qiáng)化的描述，一種可行的方法是引入一個(gè)符合實(shí)際且

9、具有一定物理基礎(chǔ)的加載路徑非比例度。巴納拉(Benallal)和馬丘斯(Marpuis)定義以應(yīng)力或應(yīng)變之間的夾角正弦為非比例度；伊林(Ellyin)和夏(Xia)定義塑性應(yīng)變路徑在平面上的投影面積比值為非比例度；麥道威爾(Mcdowell)定義塑性應(yīng)變?cè)谧畲笏苄詰?yīng)變幅的方向上的投影積分為非比例度等等。盡管這些定義都可以描述某些路徑的強(qiáng)化行為，然而各有其局限性，特別對(duì)經(jīng)過原點(diǎn)的直線段路徑，如對(duì)十字形路徑、射線狀路徑不能很好加以描述。因此，發(fā)展適當(dāng)?shù)姆潜壤榷x對(duì)研究非比例循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和低周疲勞是至關(guān)重要的。1990年以來，在國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目資助下，西南交通大學(xué)開展了關(guān)于多軸非比例加載低

10、周疲勞研究。研究的重點(diǎn)為：(1)定義了一個(gè)具有物理基礎(chǔ)、適用性廣的加載路徑非比例度，該參量是一個(gè)與單元體各個(gè)方向上最大剪應(yīng)變分布有關(guān)的量，體現(xiàn)了非比例強(qiáng)化與材料剪切滑移的聯(lián)系。(2)建立了一個(gè)簡單的用非比例度修正的非比例循環(huán)本構(gòu)關(guān)系。(3)基于連續(xù)損傷力學(xué)方法，在損傷演化方程中引入路徑的非比例度，結(jié)合布朗(Brown)和米勒(Miller)的臨界面模型，建立了一個(gè)新的非比例加載下低周疲勞損傷分析的臨界面模型，給出了可用于非比例加載下低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的Manson-Coffin型公式。對(duì)多軸非比例加載下的低周疲勞問題進(jìn)行研究是十分復(fù)雜和困難的。如何從微觀或細(xì)觀層次對(duì)非比例強(qiáng)化以及疲勞損傷進(jìn)行微觀

11、機(jī)制的觀察、分析和研究，揭示疲勞破壞的本質(zhì)，給出精確的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和疲勞壽命預(yù)測(cè)，是今后這方面研究工作的重點(diǎn)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Manson S S. Behavior of materialunder conditions of ther-mal stress, NACA report, 1954,1170 2 Coffin L F. Journal of Engineering Material and Technolo-gy, 1954,76:931950 3 Brown M W et al. Proc Inst Mech Engngrs, 1973,187:745 755 4 Kan

12、azawa K et al. Journal of Engineering Material and Technology, 1977,99:222228 5 Sines G et al. Journal of Engineering Material and Technol-ogy, 1981,103:8290 6 Garud Y S. Journal of Engineering Materrial and Technology, 1981,103:118125 7 Ellyin F et al. Journal of Pressure Vessel and Technology, 1984,106:342347 8 S