基于能量耗散与结构损伤的金属疲劳机理研究与工程应用

红外热像法作为一种无损、实时及非接触的测试手段，已在科学研究中获得了广泛的应用。疲劳热像法作为热像法的研究方向之一，在用于快速确定材料疲劳极限方面，更是引起了学术界及工业界的强烈兴趣。但就目前的研究现状而言，疲劳热像法尚处于概念、方法形成的初始阶段，一些机理问题还没得到深刻认识，特别是缺乏强有力的理论体系支撑。针对此，本项研究将尝试在疲劳热耗散行为与材料的物理损伤过程之间建立联系，通过研究金属疲劳的生热机理，找出使用热像法进行疲劳预测与评估的理论依据；通过构建疲劳能量方程，选用合适的热力学参量描述材料的宏观疲劳行为，力图将热像法发展成为一种定量的疲劳评估方法。本课题具有鲜明的多学科背景，需要综合运用材料学、热力学、断裂力学等多门科学，采取理论研究、数值模拟与试验分析相结合的技术路线。本课题不仅是一项具有重要工程应用价值的研究课题，也是一项具有重要创新意义的基础研究工作。

传统的疲劳研究方法来确定材料和构件的疲劳性能参数时，实验周期长、成本高，对工程设计具有一定的制约性，因此迫切需要发展一种快速、准确、有效的疲劳研究方法。本课题基于红外热像技术，对材料和构件在疲劳过程中的温度信号、应力状态和耗散能等进行了系统的研究，分析了疲劳过程中这些物理状态量与疲劳损伤状态之间的密切关系，为热像法快速评估材料的疲劳性能参数提供了基本的理论依据。温度信号的变化规律间接反映了疲劳过程中因损伤不断累积导致的能量转化，通过疲劳过程中温度信号的演化规律，利用能量理论针对多种材料和构件展开相关的实验研究，验证了热像法快速确定材料疲劳寿命的可行性和准确性。基于经典的Miner损伤累积准则建立了线性能量损伤模型以对疲劳过程中材料和构件的残余寿命进行预测，理论预测的结果与实际结果之间吻合良好，说明了该模型的有效性。基于此，便可以在一定程度上克服传统疲劳实验方法的缺点和不足，从而极大地降低疲劳研究的成本，提高经济效益。另外，通过对疲劳损伤演化过程中试件表面温度信号的分析，对试件内部的微观损伤状态进行了定性的分析，保证在役结构的可靠性和安全性。通过对宏微观疲劳断口的研究，对疲劳失效的机理进行了阐述，将疲劳失效的演化过程与试件表面的温度信号的演化相联系，以更好的理解疲劳损伤的宏微观机理，避免突如其来的断裂事故。本课题的研究成果，为今后定量红外热像法的标准化、规范化和工业化提供了基本的理论和数据支持，具有重大的现实意义。