多碰载荷下金属材料类蠕变效应与亚-超屈服动态塑性行为

发现金属材料在在多次碰撞冲击载荷作用下，既可能出现屈服限显著提高的超屈服现象，也可能出现屈服限降低甚至大大降低的亚屈服现象。拟通过多维参量控制的疲劳试验以及精细坐标网格分层塑性响应分析，系统考察金属材料在多碰载荷下的亚-超屈服塑变行为，其类似蠕变的塑变过程以及强烈的梯度和尺度效应；提出动态阈值概念，通过对多碰塑变启动的最低阈值以及从低周到高周全寿命区间的动态阈值曲线的研究，探讨从亚屈服到超屈服多碰塑变的动态演变与转换过程，从理论上沟通两种看似相悖的力学现象；首次尝试将能量载荷引入本构，将多碰塑变衰减过程与塑性能的吸收、传递以及衰减过程联系起来。结合微细观分析，探讨多碰下特有的应力-应变非等映射行为，建立多碰动态塑性本构模型，揭示金属材料在多碰载荷下的特殊塑性行为和规律。研究旨在深化对材料动态塑变机理的认识，同时为解决工程中大量存在的金属材料多碰塑变失效问题奠定理论基础并提供正确设计途径。

本课题对金属材料多碰载荷下远低于屈服限发生塑性累积变形的亚屈服现象展开研究。选用典型的纯铁、纯铜、合金、梯度涂层等材料，采用分层塑性响应研究思路，完成了低应力多碰系列试验、检测、分析与建模。（1）研制了可在相同应力下改变能量输入、或在相同能量下改变应力输入的新型多碰疲劳试验机，并进行了各种材料应力——能量——塑形变形试验与检测分析；（2）研究了材料多碰下的塑性变形规律，其具有强烈的梯度效应，即表层变形最大，随层深增加形变量急剧下降；（3）研究了多碰形变的尺度效应，观察到无论零件尺寸大小，形变只在表层及以下约10mm以内发生。在此范围内每层均有自上而下由大变小的轴向变形，并伴有横向镦粗；（3）给出了实验材料亚-超屈服段全程形变阈值曲线；（4）将能量载荷引入本构，在试验材料基础上，初步建立了ε-N-E-σ模型和V-h-E-σ模型。首次将多碰塑变及形变率与层深、冲击次数、碰撞应力、碰撞能量联系起来。本课题深化了对材料动态塑变机理的认识，开启了亚-超屈服动态阈值新的研究方向。为解决金属材料多碰塑变失效问题奠定了理论基础。