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原文传递铸铝合金的高低周复合疲劳裂纹扩展和寿命研究

论文题名：	铸铝合金的高低周复合疲劳裂纹扩展和寿命研究
关键词：	铸铝合金;高低周复合疲劳裂纹;汽车轻量化设计;疲劳损伤机理
摘要：	汽车轻量化设计已经成为降低汽车自重、提高燃油经济性的重要手段。铸铝合金以其较高的比强度和优良的综合性能已经逐渐取代传统的铸铁成为汽车发动机部件的主要材料。汽车发动机部件如气缸盖和气缸体等在工作状态下承受着复杂的高低周复合疲劳载荷历程，传统的常幅载荷高、低周疲劳设计方法不再适用于高低周复合疲劳载荷条件下材料与结构的耐久性分析与设计。铸铝合金材料的高低周复合疲劳行为研究将为新一代高性能轻量化汽车发动机部件的耐久性设计提供必要的理论基础。学术界和工程界对于高低周复合载荷作用下的疲劳裂纹扩展、疲劳损伤机理及疲劳寿命预测模型的研究仍然不够充分。本文针对Al-Si-Cu系铸铝合金，采用试验研究和理论建模的手段，开展高低周复合载荷条件的裂纹扩展试验和光滑试件疲劳寿命试验，研究疲劳裂纹扩展规律和疲劳损伤机制，并建立了疲劳裂纹扩展数值建模方法和高低周复合疲劳损伤模型。本文的主要工作和结论如下: 　　(1)对铸铝合金E319-T7开展了常幅载荷疲劳裂纹扩展速度曲线试验和含拉伸或压缩过载的裂纹扩展试验。观察到单个压缩过载后的裂纹扩展加速现象:在单个压缩过载之后，裂纹扩展速度立即提高，然后很快回落至常幅载荷下的稳态水平。裂纹扩展试验结果表明，高低周复合载荷谱的压缩过载作用使裂纹发生额外长度的扩展，对材料与结构的耐久性具有一定的危害性。提出了裂纹长度增量⊿aUL来定量评估不同压缩过载水平和不同常幅载荷△K下的裂纹扩展加速水平。⊿aUL越大，表示压缩过载对裂纹扩展的贡献越大。本文的裂纹扩展试验和理论模型都指出:在相近的常幅载荷△K下，压缩过载越大导致⊿aUL越大;而当压缩过载相同时，⊿aUL随着常幅载荷△K的增大而增大。　　(2)提出并建立了基于临界距离理论的疲劳裂纹扩展数值建模方法。该模型基于裂尖临近距离处的塑性耗散能密度决定裂纹扩展的思想，具有明确的物理意义。开发了模拟裂纹扩展的有限元模型（包括相关子程序UEL和UVARM）和计算裂纹扩展速度的MATLAB后处理程序，基于R=0.1裂纹扩展试验曲线建立了裂纹扩展判据（即临界距离和临界塑性耗散能密度），定量预测了裂纹在不同应力比条件和含拉伸/压缩过载条件下的扩展速度，预测结果与试验结果基本一致。有限元分析表明压缩过载后的裂尖钝化作用是导致裂纹张开应力水平下降的原因;而裂纹张开应力的下降导致裂尖区域（包括临界距离处）塑性耗散能密度增量的增大，最终使裂纹扩展加速。压缩过载越大，裂纹张开应力水平下降越多，裂尖区域塑性耗散能密度增量越大，裂纹扩展加速越显著。此外还发现，裂纹扩展数值建模方法的临界距离与铸铝合金材料的微观组织特征和宏观力学性能相关，即临界距离、微观组织特征长度(SDAS)以及△Kth对应的循环塑性区尺寸等三者比较接近，处于同一数量级。　　(3)分别建立了常幅高、低周疲劳寿命回归模型，拟合得到了概率疲劳寿命曲线。断口分析指出，近自由表面处的铸造缺陷为主要裂纹萌生源，其中以氧化膜最多。裂纹萌生源大小不一是导致常幅高、低周疲劳寿命分散性的主要原因。裂纹萌生源大小（等效直径）近似符合对数正态分布规律。裂纹源等效直径的累积概率与疲劳寿命在任意载荷水平的的累积概率具有明确的45度线性关系，即裂纹源等效直径的累积概率与疲劳寿命的累积概率相加等于1。考虑了试验本身分散性对高低周复合疲劳损伤计算精度的影响，提出并采用了概率疲劳寿命作为计算高低周复合疲劳损伤所需的常幅高、低周疲劳寿命。概率疲劳寿命由常幅载荷疲劳寿命回归模型结合高低周复合疲劳裂纹源等效直径的累积概率计算得到。　　(4)提出并建立了高低周复合疲劳损伤指数衰减模型。对铸铝合金AS7GU-T64光滑试件开展了高低周复合疲劳试验。研究了各种载荷条件对复合疲劳损伤的影响，载荷条件涉及高周应力幅值（σHa），低周相对应力范围(σHmin-σLmin)以及每个载荷块的高周循环数（η）。结果表明:复合疲劳损伤随着高周应力幅值和低周相对应力范围的增大而增大。η对复合疲劳损伤的影响可分为三个区间，每个区间都有明显特征。低周循环后裂纹张开应力的降低及回复为高周循环复合疲劳损伤产生与衰减的主要原因。当η较小时（小于约30），频繁施加的低周循环易于促使裂尖循环塑性区内的Si颗粒提前发生损伤，从而为裂纹在高周循环期间的扩展提供弱化的路径，加快裂纹扩展速度，η值越小，复合疲劳损伤量越大。在这个阶段，复合疲劳损伤是裂纹张开应力水平降低和周期性低周循环共同作用的结果。基于以上结果，通过拟合光滑试件高低周复合疲劳试验结果，提出并建立了高低周复合疲劳损伤指数衰减模型，该模型能够比较全面的描述各种载荷条件对复合疲劳损伤的影响。相比线性累积损伤模型，包含高低周复合疲劳损伤模型的累积损伤模型能够明显改进高低周复合疲劳寿命的预测精度。
作者：	郑鑫
专业：	机械设计及理论
导师：	温卫东
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文