金属材料超低应力多碰塑性累积宏观规律与微观机制

发现金属材料在低于其屈服限数倍的超低多碰应力下，一定碰撞次数后将发生累积性的宏观塑性变形。这是以往多冲疲劳研究中尚未关注到的新的形变损伤现象。它具有远低于屈服极限的门槛值，以及区段全程性、梯度趋表性等特有规律，与一般疲劳及循环蠕变等其它形式的应变皆有明显区别。本研究首次提出并运用基于高速CCD实时动态观测的分层塑性响应方法，研究多碰塑性累积的特殊行为，给出多碰应力-应变-寿命-层深坐标关系的定量分析模型和多碰应力-寿命-应变累积函数关系。本研究首次提出了基于脉冲激励的位错振动叠加研究方法，结合多碰条件下材料的微观特征形貌分析，揭示材料低应力多碰塑性累积机制，并描述其微细观演化过程。本研究对于工程中多碰关键零部件的塑性累积失效预测具有指导意义，不仅是解决多碰疲劳问题的基础，更能进一步拓展金属疲劳形变损伤的研究领域，深化对材料形变机理的认识，具有重要的理论价值和工程应用价值。

本课题针对金属材料目前知之甚少的超低应力多碰塑性累积行为，研究其宏观规律，探讨其微观机制。选用多碰零件常用的Ni-2合金、1Cr18Ni9Ti、45钢、T10 钢等典型材料，采用分层动态塑性响应研究思路，坐标网格法制备材料试样。完成了低应力多碰系列试验和相应宏、微观检与分析。（1）材料多碰塑变在低于屈服限6—10倍的超低应力下即可发生，具有超低应力启动、区段性、趋表性、累积性等特征。（2）塑性累积在表层以下约6—10mm范围内发生，且由表及里呈指数规律递减，伴随的形变硬化亦如是。（3）随碰撞次数的增加各层材料动态塑性响应亦也呈指数规律递减。大多数试样碰撞安定次数约为12万次-25万次。（4）给出了低应力多碰非均匀时空相关的塑变模型σ—ε—N—y曲面族和指数形式的多碰塑形累积数学模型，可对材料多碰塑性累积进行预测，为多碰零件的工程设计提供了新的理论依据。微观上初步建立了超低应力多碰塑性累积微细观过程理论框架，可表述为基于脉冲能量输入的位错振动叠加。由于外界能量反复驱动而引起的塑变是多碰载荷下材料特有的应变机制。实际材料中应变能和动能的传递由表及里衰减,各层所吸收的功亦不同，空间上呈现梯度递减性质。给出了多碰蠕变的定义，并分析了金属材料多碰蠕变一般规律和与一般蠕变的异同。.研究期间发表论文17篇，SCI收录7篇，EI收录11篇；获授权专利4项；指导完成研究生学位论文9篇。应用课题成果尝试了对核阀、螺旋轧辊等材料进行梯度强度的激光涂层强化。在赋予材料表面耐磨、耐蚀性能的同时，较好地控制了其反复冲击磨损与塑性变形，初步显现出工程应用价值。课题研究深化了对材料多碰塑性累积本质的认识，为更广泛和深入地开展金属材料超低应力多碰塑变研究，最终解决多碰失效问题提供了新方法、新途径和理论基础。