局部应力比对2024铝合金缺口件疲劳行为的影响

作     者：谌理飞 

作者单位：四川轻化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗云蓉;张劲松

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：缺口疲劳 2024铝合金 数值模拟 寿命预测 局部应力应变 微观断裂机理 

摘      要：金属疲劳是工程领域中十分普遍的失效类型,工件在循环载荷的作用下,疲劳裂纹通常萌生于应力集中处,之后发生裂纹扩展与失效。应力集中的存在无疑会加速裂纹萌生,导致疲劳性能大大降低,因此开展缺口构件的疲劳行为研究是具有重要意义的。本文通过试验方法获得缺口试样的疲劳寿命,然后采用数值模拟对缺口试样的应力应变进行分析。本文以2024铝合金为研究对象,加工成三种厚度的缺口试样,采用MTS809伺服液压疲劳机对2024铝合金光滑试样开展了单调拉伸试验和对称循环拉压试验,以获得试验材料的力学参数、循环应力应变曲线和循环特性。对三种厚度的缺口试样开展拉拉疲劳试验,获得缺口试样的高、低周疲劳寿命,并采用扫描电镜对缺口试样疲劳断口进行扫描,分析缺口试样的微观断裂机理。采用ABAQUS软件模拟了三种厚度在循环载荷下缺口根部的应力应变状态,得到缺口根部的主应力、Mises应力、塑性变形和应力比等数据,之后采用Neuber法计算缺口根部应力应变来验证有限元模型计算结果的正确性。在缺口试样的疲劳试验基础上,采用局部应力应变对缺口试样的疲劳寿命进行预测,将ABAQUS与Fe-safe相结合,对缺口试样的失效部位与疲劳寿命进行计算。研究结果表明:缺口导致试样的疲劳性能下降严重,三种厚度缺口试样的疲劳极限均为100MPa,与理论计算疲劳极限基本一致。裂纹均萌生于缺口根部,高应力状态会导致多裂纹源,减小裂纹扩展区,在裂纹扩展区产生韧窝。基于光滑试样的试验数据拟合得到了混合硬化模型参数,可应用于模拟2024铝合金的循环特性。在ABAQUS中采用循环应力应变曲线作为材料本构,得到缺口试样的局部应力应变,缺口根部是应力和塑性变形最严重的部位,低应力幅状态下最大主应力位于缺口根部,高应力幅状态下最大主应力不再位于缺口根部,而是朝宽度方向偏移位于试样内部,塑性变形会导致缺口根部应力比减小。结合缺口根部的塑性变形与应力比变化对S-N曲线中出现的转折点和过渡区进行了分析,解释了高应力幅下厚度越大试样疲劳寿命更好的原因。采用Fe-safe能对三种厚度缺口试样在σ200MPa时的失效部位和疲劳寿命进行有效预测。将试验结果与有限元结果相结合对SWT模型损伤参数进行了讨论,之后对损伤参数进行了修正,得到修正模型1,修正模型1能对低周疲劳阶段进行有效预测,预测精度有了极大的提高。结合缺口根部应力比变化,在SWT模型损伤参数中引入缺口根部应力比,得到了修正模型2,适用于高周疲劳与过渡区阶段,预测结果与试验结果吻合良好,预测误差极小。