現(xiàn)代科技綜述知識文庫：多軸非比例加載下低周疲勞壽命估測

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科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學科。本文提供對科技基本概念“多軸非比例加載下低周疲勞壽命估測”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，如應力應變狀態(tài)、環(huán)境、材料組織等，涉及到力學、材料學、物理學和化學等多學科，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)元件如傳動軸、渦輪機葉片、壓力容器等一般承受的是雙軸或三軸應力狀態(tài)。由于單軸疲勞與多軸疲勞的破壞機制不盡相同，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，將給出不安全的預測，所以迫切需要對多軸非比例加載下的疲勞進行研究。隨著新型多軸疲勞試驗機的誕生，使得這一方面的研究可能進行。對多軸非比例循環(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化，其塑性流動特性以及應力、應變遲滯回線的形狀與比例加載時均有較大差異。由于存在應力的附加強化，從而導致非比例循環(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，而對于多軸低周疲勞的研究，特別是對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(應變)疲勞是指疲勞應力接近或超過材料的屈服極限，材料在每一個應力應變循環(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)認為對于單軸拉壓低周疲勞塑性應變的積累是其破壞的主要原因，因此，以塑性應變幅p作為損傷參量進行疲勞壽命估算，可以較好地描述材料的低周疲勞行為。對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：等效應變法、能量法和臨界面法，但尚未形成一種對各種材料和載荷普適的理論，多為經(jīng)驗的或半經(jīng)驗的。1981年辛納斯(Sines)等提出的等效應變法是將曼森科芬(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變eq，它可以是八面體剪應變，最大剪應變或馮密塞斯(Von Mises)等效應變，這種等效應變往往是從強度理論引伸而來。能量法認為塑性形變功，的累積是產(chǎn)生材料不可逆損傷進而導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)等效應力、等效應變和冪律本構(gòu)關(guān)系，以破壞時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)。臨界面法認為疲勞破壞由破壞面及關(guān)于這個面上的應力和應變狀態(tài)來決定。首先計算疲勞臨界面上的應力、應變，然后，將

5、臨界面位置的應力、應變歷史轉(zhuǎn)化成累積的疲勞損傷。1973年布朗(Brown)和米勒(Miller)提出了由最大剪應變面上的兩個參量控制疲勞破壞，即最大剪應變max和所在面上的法向應變。之后，不同學者選擇了不同的臨界面和損傷參量，對上法進行了修正。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，因其應變主軸不斷旋轉(zhuǎn)，建立在等效應力、應變關(guān)系上的循環(huán)應力應變關(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)生明顯的附加強化，并且明顯地影響疲勞壽命。1987年索西(Socie)對304不銹鋼低周疲勞研究的結(jié)果表明，在圓形路徑下，附加強化增加一倍，疲勞壽命減少90%；對In7

6、18合金，附加強化增加10%15%，疲勞壽命減少50%。因此必須對非比例循環(huán)加載下的低周疲勞及損傷積累規(guī)律進行具體研究，否則將導致不安全的預測。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，認為最大剪應變面(臨界面)上的最大剪應變max和法向應變en控制疲勞損傷發(fā)展。研究表明，低周疲勞時，在相同等效應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)，等效應變法用于非比例循環(huán)加載條件下是偏于危險的。1980年雷斯(Leis)等對非比例循環(huán)加載進行的損傷分析，支持了Kanaza

7、wa的觀點，但也指出采用純應變進行損傷分析的不足。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)型強化律計算塑性功，處理比例加載和非比例加載疲勞。結(jié)果表明，預測偏于保守，誤差達3倍，因此建議一個權(quán)因子作用在剪應變產(chǎn)生的塑性功上，文中取權(quán)因子為12。1987年索西(Socie)認為由于非比例循環(huán)加載下存在附加強化，致使疲勞壽命減少，故壽命估算中應考慮應力項。對In718合金的剪切型破壞采用計入最大剪應變面上的法向應力no修正布朗(Brown)和米勒(Miller)的臨界面法，給出了用于預測非比例循環(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)中引入了最大主應變面的最大拉應力1max。1988年法梯密(Fatemi)和索西(Socie)在研究SAE1045鋼時，對布朗和米勒(Brown and Miller)的臨界面模型進行了另一種修正，即以臨界面上的最大法向應力nmax代替法向應變。以上考慮應力修正的判據(jù)在實際應用時需要一個精細的本構(gòu)關(guān)系計算應力。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)系研究方面的一個熱點，受到廣泛的重視。尤其重要的是對材料在非比例循環(huán)加載下附加強化的描述，一種可行的方法是引入一個符合實際且

9、具有一定物理基礎的加載路徑非比例度。巴納拉(Benallal)和馬丘斯(Marpuis)定義以應力或應變之間的夾角正弦為非比例度；伊林(Ellyin)和夏(Xia)定義塑性應變路徑在平面上的投影面積比值為非比例度；麥道威爾(Mcdowell)定義塑性應變在最大塑性應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化行為，然而各有其局限性，特別對經(jīng)過原點的直線段路徑，如對十字形路徑、射線狀路徑不能很好加以描述。因此，發(fā)展適當?shù)姆潜壤榷x對研究非比例循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和低周疲勞是至關(guān)重要的。1990年以來，在國家自然科學基金重大項目資助下，西南交通大學開展了關(guān)于多軸非比例加載低

10、周疲勞研究。研究的重點為：(1)定義了一個具有物理基礎、適用性廣的加載路徑非比例度，該參量是一個與單元體各個方向上最大剪應變分布有關(guān)的量，體現(xiàn)了非比例強化與材料剪切滑移的聯(lián)系。(2)建立了一個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測的Manson-Coffin型公式。對多軸非比例加載下的低周疲勞問題進行研究是十分復雜和困難的。如何從微觀或細觀層次對非比例強化以及疲勞損傷進行微觀

11、機制的觀察、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)系和疲勞壽命預測，是今后這方面研究工作的重點?！緟⒖嘉墨I】： 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