| 应力比对合金材料高周和超高周疲劳行为的影响 |
| 英文题名 | Effects of Stress Ratio on High-cycle and Very-High-Cycle Fatigue Behavior of Metallic Materials
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| 刘小龙
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| 导师 | 洪友士
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| 2015
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 固体力学
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| 摘要 | 超高周疲劳（Very-high-cycle fatigue）是指疲劳载荷周次大于107的疲劳行为。本文以Ti-6Al-4V合金和GCr15钢作为研究材料，采用旋转弯曲疲劳试验机和超声疲劳试验机进行疲劳实验，研究了应力比对合金材料的高周和超高周疲劳机理、S-N曲线等的影响。 实验结果表明，应力比对Ti-6Al-4V合金和GCr15钢的疲劳强度有重要影响。随应力比增加，应力幅表示的疲劳强度下降，最大应力表示的疲劳强度增加。对对Ti-6Al-4V合金，在应力比-1和-0.5下，S-N曲线呈单线形，存在疲劳极限。在应力比-0.1，0.1和0.5下，S-N曲线呈双线形，疲劳强度在寿命106 到109之间存在显著下降。而GCr15钢在四个应力比下（-1，-0.5，0.1和0.3）的S-N曲线都为双线形。 Ti-6Al-4V合金高周和超高周疲劳存在三种典型的疲劳破坏断口，Surface-without facets，Surface-with-facets 和 Interior-with-facets。三种疲劳破坏类型的发生概率随应力比增加规律变化，即随应力比增加，Surface-without-facets逐渐减少，Interior-with-facets先增加后减少，Surface-with-facets逐渐增加。基于Poisson缺陷分布的三种破坏类型的发生概率模型可以很好的描述钛合金高周和超高周疲劳中的三种疲劳破坏类型之间的竞争关系。同时萌生位置微结构观测表明Poisson缺陷分布描述钛合金内部缺陷情况是合理的。 GCr15钢中，四种不同应力比下的超高周疲劳裂纹萌生位置的微结构表征结果表明，细晶层只有在负应力比下，超长疲劳寿命情况才能形成。相应的提出了细晶层的形成机制，即裂纹萌生初期，裂纹面循环挤压引发晶粒细化模型（Numerous Cyclic Pressing Model）。同时提出了相应模型来描述应力比和夹杂尺寸对疲劳强度的影响，模型结果与实验结果符合较好。 综合考虑两种合金的超高周疲劳行为，发现Ti-6Al-4V合金和GCr15钢的内部裂纹萌生区域都存在小的解理面（Facet），同时观察到了Ti-6Al-4V合金超高周疲劳裂纹的早期阶段，基于以上实验结果，提出了合金材料超高周疲劳内部裂纹萌生的机制，即首先材料内部的脆性组织发生解理，形成Facet，然后邻近的Facet互相连接，形成早期裂纹，最后发展成主裂纹，引发材料疲劳破坏。 两种合金超高周疲劳内部裂纹萌生区域都存在粗糙形貌，用名义有效应力计算的两种合金粗糙形貌边缘的应力强度因子都维持在一个小的范围。同时两种材料的粗糙形貌边缘对应的裂纹尖端塑性区尺寸与材料的微结构特征尺寸接近。因此认为粗糙形貌形成是由裂纹尖端塑性区和材料微结构相互作用的结果，即相邻晶粒的取向不同会对裂纹的扩展形成促进或阻碍，这将导致短裂纹在扩展一个特征长度后发生扩展方向和速度的变化，从而导致粗糙形貌的形成。 |
| 索取号 | 31233
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55073
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| 专题 | 非线性力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
刘小龙. 应力比对合金材料高周和超高周疲劳行为的影响[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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