金属材料的低周、高周和超高周疲劳累积损伤及热耗散研究

在核电站管道和航空发动机的实际应用中，金属材料部件受到低周，高周和超高周多种疲劳载荷的累积作用而失效。本课题选取钢材料、钛合金和铝合金，对其低周、高周和超高周疲劳累积损伤问题进行研究。在单独了解上述材料的低周、高周和超高周疲劳行为和损伤特性的基础上，进行疲劳损伤累积实验，采用非线性损伤理论来估计疲劳累积损伤和疲劳寿命。同时，本课题采用红外摄像仪对累积疲劳损伤后材料的热耗散性进行研究，从热固耦合角度对疲劳累积过程中的局部微观非弹性变形进行分析，用于评价疲劳累积损伤。采用电子扫描电镜对累积损伤后的疲劳断口进行观察，分析累积疲劳载荷作用后的裂纹的萌生机理和扩展路径。本课题的实验结果和总结的损伤估计方法将为多种疲劳载荷累积作用情况下部件的疲劳设计提供参考。

本报告通过研究碳钢（A42，A48）、钛合金（TC4,TC17）、铝合金7075(T6)金属材料低周、高周和超高周疲劳试验和疲劳累积试验，获得金属材料的疲劳行为；通过试验方法的改进，耦合静力载荷与高频（20kHz）动力载荷，建立应力比大于-1的加速的超高周疲劳累积试验方法。根据电子扫描电镜的断口分析，获得上述材料材料的超高周疲劳裂纹萌生机理。通过试验方法分析金属材料在多载荷水平下的低周、高周和超高周疲劳累积损伤。通过红外辐射测温方法，获得疲劳载荷下的热耗散行为。基于热力学框架，建立多载荷水平的疲劳累积行为的描述方法；根据多尺度及热力学分析，研究了疲劳热耗散与金属超高周疲劳寿命分散之间的关系，建立并用于金属材料在高周和超高周领域的疲劳寿命及其分散性预测方法。本项目成果现已发表6篇学术论文，4篇SCI索引论文（其中3篇在MSEA上发表，一篇在FFEMS上发表），1篇EI论文。