Q235鋼速率相依疲勞損傷的密度法試驗研究.pdf

1、工程中的材料，由于加工過程、外部載荷與溫度、環(huán)境等諸多因素的影響，將會導致材料內部結構發(fā)生不可逆的變化。微觀上通過微孔洞與微裂紋的形式表現(xiàn)出來，孔洞與裂紋持續(xù)擴展后，將會演變成宏觀裂紋。而宏觀裂紋的出現(xiàn)，也代表材料的整體力學性能大大弱化了，具體表現(xiàn)為強度、剛度以及斷裂韌性的降低，進而削弱其結構強度，縮短其使用壽命。這種在斷裂破壞前材料性能就逐步劣化的現(xiàn)象被稱為損傷。經(jīng)過大量事實發(fā)現(xiàn)，材料在使用過程中會發(fā)生損傷，損傷累積到一定程度會造成材

2、料的失效破壞。由于金屬材料在國防和民用工業(yè)中的廣泛應用，對其結構的安全和可靠性的研究已引起國內外力學工作者的普遍重視。因此對金屬材料疲勞損傷方面的研究，已逐漸成為力學領域中研究的熱點，在化工、輕紡、建筑、機械等行業(yè)以及日用品工業(yè)中，愈來愈顯示出廣闊的應用前景。
　　本文針對金屬材料，通過疲勞損傷實驗，研究其材料性能隨應變速率、載荷頻率、應力/應變水平和加載時間等因素的變化，在此基礎上建立金屬速率相依型疲勞損傷演化本構模型，通過模型

3、計算構件的損傷程度，從而達到預估其剩余壽命的目的。同時運用密度測試法，建立起不同應變速率下的金屬損傷與材料內部密度變化之間的聯(lián)系，本文的工作，對深入了解金屬的物理性能、合理并高效利用金屬具有重要的學術意義和較大的工程價值。
　　本文以湖南省教育廳重點項目(16A220)及大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目（湘教[2015]269號）為背景，對不同應變速率下的Q235鋼進行了速率相依型的密度法試驗研究。主要研究內容如下:
　

4、　(1)結合國內外文獻對Q235鋼疲勞損傷的研究成果及現(xiàn)狀，分析影響Q235鋼試件疲勞損傷的主要因素，將速率作為重點考量因素，并從細微觀的疲勞損傷演化機理分析入手，推出基于應變速率的疲勞損傷演化律。
　　(2)在CMT5105萬能電子試驗機上，實施不同荷載、不同循環(huán)次數(shù)的試驗方案。在試驗過程中，主要通過力的控制來實現(xiàn)這些試驗方案。通過控制，載荷以一定的速率施加。每次循環(huán)的載荷幅值增加1-2kN左右，在試件從彈性變形開始，經(jīng)歷屈服直

5、到最后試件拉斷為止的過程中逐漸增大。在整個試驗過程中對試件反復進行加卸載試驗，卸載最小值為10N。每個試驗方案至少進行3次，最后取其平均值作為試驗結果。結合疲勞試驗的數(shù)據(jù)，與文獻所得到的損傷演化模型的相關參數(shù)繪制成圖表，再根據(jù)損傷演化特征，進一步給出更符合實際的損傷演化律并逐步確立其參數(shù)。
　　(3)對拉斷的試樣進行機械加工，將加工好的試件置于精度為0.1mg的Mettler的UMT2型超微量電子天平上稱量并記錄，得到不同比重比下

6、的損傷量。在此基礎上畫出損傷值D與密度ρ的關系曲線，再與參照文獻中密度測損模型的結果進行對比，并對損傷-密度曲線進行分析，得出相關結論。
　　(4)使用金相鑲嵌機對試件進行鑲嵌，并置于徠卡高倍光學顯微鏡下觀察，對比未受疲勞損傷的圖像，對內部組織結構的變化進行分析。同時選取方案中富代表性的損傷試樣，通過掃描電鏡更近一步觀察微觀組織的變形特征，分析其變形機理。并結合文獻中的疲勞損傷斷裂形式及斷口綜合分析，更深入地研究應變速率對材料內部