论文部分内容阅读
随着土木工程、核反应堆、航空航天、生物力学、高速铁路、汽车、大型船舶等工程领域的快速发展,结构设计与安全评价急需大量准确可靠的材料疲劳与断裂性能。然而对于薄板、薄壁短管材料的低周疲劳性能测试以及包括小直径棒材等小尺寸材料的断裂性能测试却难以有效开展。本文主要完成了如下工作：(1)对于符合Masing效应的材料,提出了一种获得循环本构关系的新方法,用转子材料B65A-S在300℃高温下的低周疲劳试验进行了验证。通过基于标定循环本构关系的有限元分析,建立了两种材料薄片漏斗试样平均应力到漏斗根部轴向应力、跨漏斗轴向测试应变到漏斗根部轴向应变的转换模型。对N18锆合金和SAPH440板材采用薄片漏斗试样进行了室温等幅低周疲劳试验,基于疲劳损伤等效原理,建立了用于估算N18和SAPH440材料疲劳寿命的Manson-Coffin模型和循环应力应变方程。并完成了SAPH440材料等直圆棒试样的低周疲劳试验,证明了采用薄片漏斗试样的低周疲劳测试新方法具有较高的精度。(2)研究设计了具有较好对中性的对中夹头,实现了16Mn圆棒试样不同直径和不同裂纹深度下的的断裂韧性测试。基于有限元分析得到了预测裂纹长度的统一柔度公式。探讨了现有相关计算公式的差异,对等价能量法用于环状裂纹圆棒试样进行了研究。采用双引伸计测轴向位移、拍照等面积法计算最终裂纹长度,解决了裂纹扩展偏心所带来的影响。有限元计算证明载荷分离理论对于该试样成立,提出了几何函数G(a/R)的表达式,采用规则化方法处理得到各试样J积分与裂纹扩展量△a的变化曲线。同时用标准SEB试样完成了16Mn材料的断裂韧性测试,结果表明两种方法得到结果接近。(3)从Ramberg-Osgood模型推导出Chaboche本构模型,推导公式用于ANSYS计算中,得到了J积分与裂尖张开位移的关系,发展了一个更精确的考虑材料硬化影响的JIC有效性判定公式。(4)利用自研制高温夹具完成了Zr-1Nb合金和Zr-4合金薄壁短管试样不同温度下的单轴拉伸和375℃下的等幅低周疲劳试验。研究了温度和应变速率对拉伸性能的影响,以及不同温度下材料的循环特性。基于试验数据,给出了两种锆合金的单轴和循环本构关系及M-C寿命估算模型。(5)完成了STM528转子材料室温和300℃下的单调拉伸和等幅低周疲劳试验,以及室温下的疲劳裂纹扩展速率和准静态断裂韧度试验。获得了STM528的单调本构关系及Manson-Coffin寿命估算模型,并得到了STM528材料疲劳裂纹稳定扩展阶段的Paris律及准静态断裂韧度。