金属材料多轴-高周疲劳加载软性系数研究

针对金属材料多轴-高周疲劳破坏模式缺乏物理判据的问题，本项目以航空结构常用金属材料为研究对象，通过系统的实验和理论研究，探索多轴循环载荷作用下金属材料高周疲劳失效机理，定义疲劳加载软性系数作为金属材料在多轴循环载荷下失效模式的判据，并明确其概念的内涵、外延及适用范围。课题组依据已完成的铝合金光滑试样比例、非比例和不同平均应力的等幅加载试验，初步给出了疲劳加载软性系数定义。本项目将开展变幅载荷下铝合金拉扭疲劳失效研究，分析变幅载荷对多轴高周疲劳破坏模式的影响，给出变幅载荷下疲劳加载软性系数的定义；开展缺口试样等幅加载多轴高周疲劳失效研究，研究应力集中对材料失效模式的影响，从而给出缺口试样疲劳加载软性系数的定义；开展其它典型金属材料拉扭疲劳失效研究，明确疲劳加载软性系数对不同类型金属材料多轴高周疲劳失效模式判别的普适性。在此基础上建立基于疲劳失效机理的多轴高周失效准则和疲劳寿命模型。

本项目以航空结构常用金属材料为研究对象，进行不同加载参量下的多轴高周疲劳试验，研究应力幅比、相位差、拉伸平均应力和扭转平均应力对多轴高周疲劳失效的影响，对不同加载参量下试件的失效模式进行了分析，探索多轴循环载荷作用下金属材料高周疲劳失效机理，定义疲劳加载软性系数作为金属材料在多轴循环载荷下失效模式的判据，并提出以临界面为基础的多轴高周疲劳失效预测模型。本项目的主要贡献有以下几个方面：.(1) 定义了疲劳加载软性系数，预测多轴-高周疲劳失效模式。通过不同加载参量的拉-扭疲劳试验，研究了比例加载和非比例加载对多轴-高周疲劳失效的影响。结合裂纹萌生及扩展的机理分析，研究了疲劳失效主要影响参量最大主应力、最大剪应力在不同加载参量下的变化规律，得到了多轴高周疲劳失效的主要控制参量。借鉴静力中的软性系数，提出了多轴高周疲劳加载软性系数。应用该系数对不同加载参量下试样的失效形式进行了预测。.(2)揭示了拉伸平均应力和剪切平均应力对多轴高周疲劳失效的影响规律。通过不同拉伸平均应力下的单轴疲劳和多轴疲劳试验，研究了拉伸平均应力对多轴疲劳失效的影响规律，以及在单轴疲劳和多轴疲劳中拉伸平均应力的影响和联系；通过不同剪切平均应力下的扭转疲劳和多轴疲劳试验，研究了比例、非比例加载下剪切平均应力对多轴疲劳失效的影响规律；通过同时存在拉伸平均应力和剪切平均应力下的多轴疲劳试验，研究了比例、非比例加载下两种平均应力同时作用时对多轴疲劳失效的影响规律。.(3)建立了以临界面方法为基础的多轴高周疲劳失效模型。通过对不同加载参量下多轴高周疲劳的试验研究、理论分析及疲劳断口的宏微观特征，得到拉扭复合加载下多轴高周疲劳的失效模式及反映加载参量量化影响的疲劳失效控制参量。利用分析的结果，以多轴高周疲劳临界面准则为基础，建立了多轴高周疲劳失效预测模型。该模型采用最大主应力峰值和最大剪应力变程的线性组合来预测多轴高周疲劳寿命，应用本项目试验结果及其它文献的金属材料试验结果对该模型进行了验证。.本项目开展的不同加载参量多轴-高周疲劳试验，在方法和结果上可以为研究不同材料及零部件的多轴疲劳特性提供参考；进行的多轴高周疲劳断口分析以及所提出的疲劳加载软性系数，可以为多轴高周疲劳失效预测提供依据和基础；建立的以临界面为基础的多轴高周疲劳失效预测模型，可以用于工程结构的多轴疲劳寿命预测。