【摘 要】
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随着工业迅速发展,生产规模的大型化、复杂化造成了结构件发生疲劳失效的事故逐年增加。由于结构形式、受力状况等的复杂性,构件处于多轴应力状态,因此针对材料、结构多轴疲劳研究具有重要的工程意义。316L不锈钢以其优异的耐腐蚀性、高温抗拉强度和良好的力学性能被广泛应用于核电、化工等高温场合。本文分析了316L不锈钢拉伸条件下的DSA效应,针对疲劳断口进行劳断口进行透射电子显微镜(TEM)实验,揭示DSA效
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随着工业迅速发展,生产规模的大型化、复杂化造成了结构件发生疲劳失效的事故逐年增加。由于结构形式、受力状况等的复杂性,构件处于多轴应力状态,因此针对材料、结构多轴疲劳研究具有重要的工程意义。316L不锈钢以其优异的耐腐蚀性、高温抗拉强度和良好的力学性能被广泛应用于核电、化工等高温场合。本文分析了316L不锈钢拉伸条件下的DSA效应,针对疲劳断口进行劳断口进行透射电子显微镜(TEM)实验,揭示DSA效应的微观机理,并进行了疲劳寿命预测。具体内容如下:首先,针对316L不锈钢873K下疲劳寿命的路径相关性和幅值相关性进行分析。实验结果表明,疲劳寿命随着等效应变范围和路径非比例度的增加而降低;路径的影响更为显著,等效应变范围1.0%下,圆路径下的寿命较单轴路径的疲劳寿命下降9倍。实验条件下,材料表现出DSA现象,较大等效应变范围下,溶质原子气团与可动位错的强烈作用是DSA现象显著的原因。其次,针对316L不锈钢573~873K拉伸过程中DSA效应进行分析。在573K~873K内,屈服极限随温度的升高呈下降趋势,873K下的屈服极限与773K值相比仅下降了2.7%,该现象的发生与产生的DSA效应的程度有关;采用Mc Comick和Choudhary模型,针对激活能进行计算,两模型误差为9.3%。对比激活能值,可以得到高温下所形成的锯齿屈服行为是Cr溶质原子气团与可动位错交互作用的结果。再次,针对316L不锈钢873K圆路径下的疲劳断口进行透射电子显微镜观察,并与先前的结果进行对比分析。结果表明,873K温度下,单轴加载下变形以平面滑移方式为主,位错呈现分布均匀的条带状,而圆路径下则表现出等轴状的胞状位错结构,显著降低了材料抵抗变形的能力;不同位错组态的形成受加载路径和应变范围共同影响,圆路径下材料形成胞状位错结构所需最小等效应变较单轴低;从1.0%等效应变范围下最大应力跌幅比较来看,圆路径下的DSA效应较单轴更为完全,且压缩阶段的DSA现象更为显著,锯齿类型由A型经过B型,逐渐过渡为C型。最后,应用等效应变法(von Mises模型、Itoh模型)、临界面法(K-B-M、S-W-T及F-S模型)及能量法进行寿命预测。结果表明,等效应变法中von Mises模型对多轴非比例加载预测结果比较危险,Itoh模型预测结果较为满意;临界面法中K-B-M、F-S两种模型预测效果较好,S-W-T对扭转及圆路径预测结果偏危险;能量法中Garud模型预测结果比较保守。在能量方法以及Cottrell内应力划分理论的基础上,建立了以背应力塑性功作为损伤参数的疲劳寿命预测能量模型,与传统的Garud塑性应变能量模型相比,预测结果更精确。
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