循環軟化鈦合金的疲勞彈性失效機理及壽命預測研究

《循環軟化鈦合金的疲勞彈性失效機理及壽命預測研究》是依託哈爾濱工業大學，由李躍峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：循環軟化鈦合金的疲勞彈性失效機理及壽命預測研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李躍峰
• 批准號：51405101 

項目摘要

疲勞彈性失效研究對於減輕一次性機械零件的自重、提高太空飛行器的有效載重具有重要意義。本項目以循環軟化鈦合金TC4的疲勞彈性失效為研究對象，揭示疲勞彈性失效機理，並建立疲勞彈性壽命預測模型。首先，提出疲勞隨機有限元方法建立疲勞彈性失效仿真模型，並利用該模型仿真研究材料微觀組織結構的演化過程。其次，在仿真結果指導下，通過實驗觀測和理論分析，揭示疲勞彈性失效的發生機理，以微裂紋的萌生和擴展為紐帶，探索疲勞彈性失效與疲勞斷裂失效之間的內在聯繫。最後，根據其內在聯繫，建立從疲勞斷裂壽命到疲勞彈性壽命的理論映射關係，並通過大量疲勞壽命實驗進行修正，最終建立疲勞彈性壽命預測模型，從而實現利用疲勞斷裂壽命評估疲勞彈性壽命。本預測模型的建立可以避免對材料疲勞彈性壽命的大規模實驗測試，有利於疲勞彈性失效理論的快速推廣和廣泛套用。本項目對實現太空飛行器的最優設計和提升其有效載重具有重要的理論指導及工程推廣意義。

結題摘要

作為一次性機械的重要失效形式和特殊設計考量，疲勞彈性失效主要用於描述部分塑性金屬材料在較高水平循環應力的作用下，最初能夠保持彈性變形，但隨著作用次數的增加，保持彈性變形的能力逐漸喪失，進而在疲勞斷裂前出現明顯塑性變形的現象。區別於常規機械設計中主要關注的高周疲勞斷裂失效，疲勞彈性失效主要發生在低周疲勞初始階段，通過顯著的塑性變形影響機械零件的形位精度，從而造成整個系統性能指標降低甚至設計功能喪失，根據機械設計的基本要求，將累積的總塑性應變達到0.2%時的應力循環數定義為疲勞彈性失效壽命。 由於疲勞彈性失效概念較新，相關材料的疲勞彈性壽命數據極度缺乏，限制了疲勞彈性失效概念在一次性機械設計中的實際套用。本項目以常用材料40Cr調質鋼為主要研究對象，鈦合金TC4和不鏽鋼316兩類有代表性的金屬材料作為對比有所涉及，基於Voronoi鑲嵌算法建立代表性體積單元，在其中引入材料微觀力學性能分散性，結合損傷耦合的疲勞彈性失效本構模型，建立晶體塑性有限元仿真模型，用以仿真研究疲勞彈性失效行為。通過試驗和仿真結果對比研究發現，疲勞彈性失效行為的誘發條件在於材料在高循環應力作用下彈性疲勞損傷造成的微觀局部塑性應變累積，材料的循環軟化和棘輪效應加速了塑性應變的累積，直至超過允許的塑性變形範圍。在揭示疲勞彈性失效機理的基礎上，利用所建立的晶體塑性有限元仿真模型預測疲勞彈性失效壽命，仿真結果與試驗結果的分散帶基本一致，驗證了疲勞彈性失效壽命預測模型的有效性。 基於本項目研究理論研究成果，針對傳動零部件和結構零部件的使用特點，研製了一次性使用的重載諧波減速器，其重量較常規設計方法得到諧波減速器的重量減小50%以上，承載能力提升5倍以上，明顯降低了航空航天用一次性使用機電伺服系統傳動部件的體積和重量，本項目研究成果在航空航天等領域中具有一次性使用需求的機電裝備低成本設計方面具有廣泛的套用前景，極具推廣和套用價值。