基于晶体塑性力学的超细晶微动疲劳裂纹萌生的数值模拟

• 作 者: 张晓颖
• 出 处: 广西大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 超细晶 疲劳指示参数法 取向变化幅值法 预测 裂纹萌生

纯铜作为与人类关系密切的有色金属材料,因优良的导电性、延展性、耐磨性等性质已经被广泛地运用在电子行业、交通、机械、航空航天等领域。在实际服役工况下,纯铜构件受螺栓、铰接、键连接等不同边界条件的约束,在疲劳载荷作用下纯铜会发生往复的微小变形,该往复的微小变形又会与边界约束发生作用,从而导致构件接触表面的磨损及损伤,引发微动疲劳失效。因此,为了保障纯铜构件的服役安全,了解并掌握其微动疲劳失效机理及寿命预测就显得极为必要与迫切。超细晶纯铜比纯铜有着更高的强度和硬度,具有更加广阔的应用前景。为了推动超细晶纯铜潜在的工业应用,开展超细晶纯铜的微动疲劳研究是全面了解该材料疲劳失效机理中的一项重要任务。首先,为了描述超细晶纯铜的力学行为,基于晶体塑性理论建立超细晶纯铜的本构模型,分析超细晶纯铜的微动疲劳行为;接着在塑性变形会导致晶格旋转的基础上,提出一种取向变化幅值法来预测疲劳裂纹萌生;最后采用成熟的疲劳指示参数法对取向变化幅值法的预测结果进行验证。主要的研究内容和相关创新如下:1、考虑超细晶纯铜的微观组织与力学特性,利用晶体塑性理论建立本构模型,结合实验数据拟合出超细晶纯铜的本构模型参数,并将该套参数应用到微动疲劳模拟中,探究超细晶纯铜在微动疲劳下裂纹萌生情况。2、基于金属材料的塑性变形会导致晶格旋转的理论,提出通过分析试件表面晶粒以及晶粒表面单元的旋转角,假设晶粒中旋转角变化大的晶粒单元容易发生裂纹萌生,将该方法命名为取向变化幅值法,其预测结果同成熟的疲劳指示参数法进行对比验证,结果表明预测准确性较好。3、探测不同的载荷及表面微观组织对试件裂纹萌生位置的影响。首先通过控制试件的载荷不变,然后分别采用取向变化幅值法与疲劳指示参数法对试件不同初始取向的表面晶粒的裂纹萌生进行预测。两种方法预测的均为同一晶粒,取向变化幅值法预测出变化最大的晶粒单元旋转角增量增加了0.5229°,疲劳指示参数法预测的最大累积塑性滑移P值为0.5834。最后,通过控制试件表面晶粒位置不变,探究不同载荷状态下两种预测裂纹萌生方法的对比情况。结果表明:利用取向变化幅值法与利用疲劳指示参数法预测的晶粒位置一致。