小尺寸机械元件疲劳损伤愈合机理与剩余寿命预测研究

随着微小型机械结构在国防和民用领域的广泛应用，小尺寸元件疲劳损伤的愈合方法和剩余寿命预测已成为国内外疲劳强度领域中的热点研究问题之一，其研究具有巨大潜在的经济效益和重要的科学价值。研究拟采用外部瞬间输入能量的方式来探索小尺寸机械元件疲劳损伤愈合机理及定量描述方法。针对小尺寸机械结构中常用的材料和典型的结构特点，分别研究激光处理与脉冲电流单独和组合处理愈合性技术方法。研究不同组合处理方式下的损伤愈合程度和剩余寿命，查明不同处理方法及工艺参数与损伤愈合效果的最佳匹配，提出小尺寸元件疲劳损伤愈合的定量描述方法和剩余寿命预测方法。本项目的主要创新点体现如下:（1）给出小尺寸元件损伤愈合最佳处理方法；（2）提出小尺寸元件疲劳损伤愈合度定量表征方法；（3）提出损伤愈合参量；(4)建立剩余寿命预测模型;(5) 给出延寿技术和剩余强度评价方法。

本文通过激光表面热处理的方式，使铜薄膜材料的疲劳损伤得以愈合或修复，从而提高材料的使用效益。（1）采用连续CO2气体激光器表面处理厚度为25um铜薄膜原始试件,并对比激光处理前后试样的疲劳寿命，提出此种材料的最优激光工艺参数。然后，采用准分子激光器表面处理不同程度疲劳损伤的试件，并在某一特定损伤程度下对比激光处理前后试样的疲劳寿命。（2）通过提取的试验数据，本文讨论了激光处理参数对疲劳寿命的影响，以及激光功率密度对塑性应变的影响，并分析了激光能量密度和激光脉冲个数对不同损伤程度试件剩余寿命的影响，从而提出激光修复疲劳损伤的最优激光工艺参数和最优化结果。（3）对轧制铜薄膜缺口试件进行了预损伤处理以及激光冲击处理，通过疲劳试验结果，确定了最优激光修复参数。并在这一参数下将无损试件的强化效果与损伤试件的修复效果进行了对比，发现损伤试件的累积疲劳寿命明显高于无损试件的强化寿命。随后对铜薄膜缺口试件进行了修复时机选择以及两次损伤修复效果的探讨。（4）激光冲击处理在铜薄膜中所诱导的冲击压力进行了理论计算，并将计算出的冲击压力值作为加载条件，运用ABAQUS有限元分析软件对激光冲击过程进行了模拟。随后，分别从微观金相组织以及断口表面特征角度对激光冲击处理的修复机理进行了进一步探讨。（5）利用修正的名义应力法对不同脉冲个数下无损冲击后的缺口试样，同一损伤程度下（40%）不同脉冲个数冲击后的缺口试样，以及最优激光修复参数下不同损伤程度的冲击后缺口试样的疲劳累积寿命进行了预测，结果表明，修正的名义应力法的预测结果能够较好地满足试验寿命。（6）通过扫描电镜及光学显微镜对试样疲劳断口进行分析，并对比激光处理前后表面微观结构的变化，找出激光处理提高疲劳寿命的微观机理及理论依据。