基于振动处理的金属材料疲劳损伤修复研究

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金属材料在工作过程中经常承受循环交变载荷作用,即使外加载荷不超过抗拉强度也会发生破坏,限制其长期服役。近年来,众多国内外学者致力于研究如何提高材料的疲劳性能,延长其疲劳寿命。本文采用振动处理来修复铜薄膜试件的疲劳损伤,通过确定与修复效果相关的几个最优参数,大幅度提高其疲劳寿命,并在此基础上研究振动处理修复金属材料疲劳损伤的机理。  第一,对多晶轧制铜薄膜进行了预损伤处理以及振动修复处理试验。试验结果表明:振动处理可以修复铜薄膜的疲劳损伤,提高其疲劳寿命,并得出了不同情况下的铜薄膜试件在不同振动参数下疲劳寿命的变化规律。通过修复后累积寿命与原始寿命比较的结果,确定了修复试验的最优参数。同时,对处理后试件弹塑性应变的变化规律进行了分析,结果发现,振动处理后试件的弹塑性应变与之前相比没有发生变化。  第二,对振动处理修复铜薄膜疲劳损伤的愈合机理进行了研究。主要包括晶粒尺寸变化,力学性能的变化等。研究发现,振动修复处理可以使因受力被拉长的晶粒回到原始没有损伤的状态。其结果有利于阻碍位错运动,延缓疲劳裂纹的萌生,从而提高疲劳寿命。同时发现,损伤件经过振动处理修复后,与振动处理之前相比,其静力韧性和抗拉强度变大,静态弹性模量变小,力学性能基本能够回到原始状态。  第三,对振动处理下铜薄膜疲劳损伤修复效果进行了研究。通过ANSYS有限元分析软件谐响应分析,研究了振动频率对试件疲劳寿命的影响。模拟结果表明,振动处理会使试件产生弯曲变形,在缺口处引起应力应变。适合的振动频率下振动处理产生的应力作为驱动力能够改善试件内部结构,使试件内部回到稳定的状态,愈合损伤,从而提高疲劳寿命。综合以上研究,给出了一个疲劳寿命与修复试验参数的定量关系式。  第四,设计了一种制备微型试件的冲压模具。通过添加额外的小定位装置,使定位更精确,能够精确的冲压微型试件。冲压出的铜薄膜试件切口整齐,无变形,在显微镜观察发现尺寸误差控制在2μm左右。
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