【摘 要】
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疲劳破坏是工程应用中最重要的失效形式之一,在疲劳载荷的作用下即使载荷幅值低于弹性极限结构也会发生失效破坏,因此能准确高效的评估和监测服役结构的疲劳寿命具有重要意义。在高周疲劳以及超高周疲劳阶段,裂纹萌生寿命占据整个疲劳寿命的绝大部分。而在疲劳演化的整个过程中,裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命的主导因素具有很大差别,有必要从多个尺度对疲劳寿命进行评估。本文以Tanaka-Mura位错模型和Paris公式为
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疲劳破坏是工程应用中最重要的失效形式之一,在疲劳载荷的作用下即使载荷幅值低于弹性极限结构也会发生失效破坏,因此能准确高效的评估和监测服役结构的疲劳寿命具有重要意义。在高周疲劳以及超高周疲劳阶段,裂纹萌生寿命占据整个疲劳寿命的绝大部分。而在疲劳演化的整个过程中,裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命的主导因素具有很大差别,有必要从多个尺度对疲劳寿命进行评估。本文以Tanaka-Mura位错模型和Paris公式为基础,发展了一种多尺度评估疲劳寿命的有限元模拟方法,并应用该方法模拟预测了2205双相钢的疲劳寿命,并对微观结构特征对疲劳行为的影响进行研究。主要工作内容及结果如下:1)详细介绍了多尺度方法的建模、分析、模拟过程。微观尺度模型基于在Tanaka模型的理论基础上编写的Python脚本,赋予晶粒随机取向,对裂纹潜在萌生位置的滑移带进行分段处理,通过计算滑移带平均剪切应力判断疲劳裂纹形核位置,实现裂纹的萌生扩展并得到裂纹萌生寿命。宏观尺度模型以线弹性断裂力学为基础,通过模拟计算不同长度裂纹的应力强度因子范围,积分Paris公式计算得到完整的疲劳寿命。2)通过静力拉伸、纳米压痕、电子背散射衍射等试验获取了模拟所需参数。应用多尺度模型对2205双相钢疲劳试样的疲劳寿命进行了模拟分析,并通过对2205双相钢疲劳试样进行疲劳试验对模拟结果进行了验证,模拟结果与试验结果拟合得到的S-N曲线的斜率分别为5.30和5.44。3)改变微观子模型的微观结构特征（晶粒尺寸、夹杂、取向等）,研究其对疲劳行为的影响。结果表明该模型能够揭示晶粒度、缺陷尺寸、取向等对于疲劳性能的影响及疲劳裂纹表面萌生和内部萌生的竞争机制:晶粒细化能显著提高抗疲劳性能;随着载荷降低,疲劳失效的形式由表面失效转变为内部失效;随着夹杂尺度的增加,应力集中加剧,当集中达到一定值裂纹表现为内部起裂失效;对于具有高弹性模量的夹杂,疲劳裂纹会在具有有利取向的夹杂中形核,并向基体中扩展。
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