基于疲劳热耗散试验的金属温度场分析方法.pdf

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1、文章编号：1672—0121(2014)04—0103—06基于疲劳热耗散试验的金属温度场分析方法陈维维，薛红前。封硕(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安710072)摘要：本文以300M钢的疲劳试验为基础，借助非接触式红外热像仪，观察了疲劳测试过程中温度场的变化，以热力学第一定律和热交换定律为基础，综合了G．Meneghetti的单位体积金属热耗散模型；从微观角度分析了不同热处理条件下300M钢微观晶粒度对疲劳损伤过程中温度变化的影响，从宏观角度考虑了载荷和循环周次与疲劳过程中试件温度变化的关系，通过多元函数逼近建立了以晶粒度、载荷水平、循环周次

2、为自变量的当量热源模型描述热源。该模型可以通过插值的方法来快速定量确定金属表面的温度场和当量热源大小。最后。数值模拟该热源的效能，通过实验验证，发现该模型可以有效预测疲劳损伤过程中温度场的演化。‘关键词：温度场；疲劳热耗散；当量热源；平均晶粒度中图分类号：TG115．51文献标识码：A0引言了单位体积材料单个循环的热耗散能。他们的研究金属疲劳过程中伴随有很多种形式的能量耗结论还不统一，每种理论都在一定范围内有效。完备散，热耗散便是其中之一。众所周知，疲劳能量理论的疲劳热耗散理论体系和普适预测方法还没有出研究经历了两个阶段：机械能耗阶段和能量耗散阶现。有些情况下的疲劳温度

3、场和热源的变化还不能段【】1。随着精确的测量方法的不断涌现以及大量先进够准确预测。的非接触式测温仪的应用，疲劳能量理论的研究逐鉴于此，本研究试图提出一种快速简便并行之渐摆脱单纯的机械能耗阶段，进入以热耗散为主的有效、节省时间和试验成本的疲劳热耗散温度场预能量耗散的研究阶段。目前有大量的经典理论认为测方法。以基本热力学理论和G．Meneghetti等人的疲劳过程的热大部分是由于内摩擦引起的，且塑性成果为基础，综合考量了金属材料的微观属性(晶粒变形会引起原子震荡，使得能量大部分转换为热，因度)和宏观热学、力学性能，给出了针对疲劳试验的此热耗散与塑性变形有关。同时塑性变形又会

4、使材当量热源模型以及快速预测疲劳热耗散温度场的方料显微结构发生不可逆的变化，使材料产生疲劳损法。该方法和模型以试验为基础，但不完全依赖于试伤。验。它可靠地反映出不同晶粒度、不同载荷水平、不Luong[z]指出红外热像不仅能够确定损伤的位同加载周次情况下的温度场分布。置和演化过程，而且能够观察损伤和破坏的物理过程，快速确定材料的疲劳强度]。Boulangert6~lJ用红1试验外照相机研究了钢在疲劳过程中的热弹性效应和热1．1材料成分及基本热学力学性能耗散。Charlesp~用热像仪监测双边缺口钢试样的表面所有300M超高强度钢试件的化学成分(质量分温度分布，发现疲劳寿命

5、包含三个热耗散阶段，分别数％)：碳0．38、锰0．76～0．91、硅1．51～1．69、硫0．003、对应于不同的损伤状态。这三个阶段(phaseI，phaseII，phaseIII)在Risitano~Sl的论文中有详尽论述。童小燕[9J用红外热像仪测量了低周疲劳自然温升分布及变化规律，并再现了温度的涨落。意大利学者G．Meneghettitol建立过金属热耗散模型，该模型给出收稿日期：2014一O1—12作者简介：陈维维(1987一)，女，硕士在读，主攻材料疲劳与断裂方向研究观裂纹，温度突然增加，也就是说，产生的塑性变形为无穷小量并忽略。功大部分转变成热。裂尖塑性变

6、形导致试件断裂位本研究中，由于实验数据量较大，故没有采取普置处温度的不均匀。这一突然上升的温度可以作通的点数和待定的曲面方程系数一样数量的多元函为即将断裂的预警。数插值来求待定系数和绘制曲面，而是利用了数据同时，9t．图4可以看出，晶粒越粗大，温度上升多的优势，尽可能多得将数据回代入(1)式，构造矛越快。这是因为晶粒粗大，晶体间的贴合和连接不如盾方程组，求出各个待定系数的最小二乘解。这样得经过热处理后的具有高晶粒度的试件，从而造成了到的系数兼顾了尽可能多的数据信息，并且全局性更大的摩擦，产生更多的热。更好，“坏点”和局部不良扰动对待定系数的影响也被减小。试验中在每一个应

7、力载荷下(共七个应力水2建模分析平)的试验数据中随机取出50个点，由于phaseI2．1疲劳热耗散温度场模型建立和phaseIII两个阶段的温度变化趋势复杂，故取点疲劳：k-,t程是一个能量耗散过程。而热耗散是整相对较多，而phaseII相对平缓，故取较少的点就能个能量耗散过程中比重很大的部分。材料形变过程反映其趋势。中的热耗散是由内摩擦引起的，即晶体(晶粒)一部本研究代入了350个点的数据值之后，得到两分相对于另一些部分的晶内剪切移动摩擦而产生组试件温升曲面方程的系数。热。另外，应变能增加了位错的不稳定性，加剧了位G=6．5(经过热处理