Tomczyk A, Seweryn A. Modeling of damage interaction due to uniaxial creep and subsequent LCF pure torsional loading [J]. Engineering Failure Analysis, 2025, 171: 109407.
Tomczyk, Adam, et al. " Modeling of damage interaction due to uniaxial creep and subsequent LCF pure torsional loading " Engineering Failure Analysis 171 (2025): 109407.
Tomczyk, Adam., & Seweryn, Andrzej. (2025). Modeling of damage interaction due to uniaxial creep and subsequent LCF pure torsional loading. Engineering Failure Analysis, 171, 109407.
背景简介
在某些结构元件的工作条件下，其通常先经历高温下的蠕变过程，再承受周期性变化的载荷。热核反应堆的组件就是这种情况，其由于高能粒子的照射而先发生蠕变。然后，这些部件必须承受疲劳载荷。在冷膨胀问题中，残余压应力的引入可以延长疲劳寿命。但由于后来的高温作用和应力的松弛作用，这种寿命会再次恶化。风力发电机的铝制外壳在运行期间可能达到 250°C，在这种温度下，惯性力的作用促进了蠕变变形。之后，这些组件在循环可变负载的状态下运行。蠕变现象加之随后发生的疲劳现象也发生在高温下充满介质的高压管道中。高温下的初步变形是蠕变时形成（CAF）工艺的本质，这种过程常应用于制造飞机机翼和机身面板的护套。在实际使用寿命条件下，这种类型的部件会在初步蠕变变形后持续承受疲劳载荷。在上述工程问题中，确定先前受到过初步蠕变变形的部件的疲劳寿命非常重要。
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图1 材料在（a）200 °C 和（b）300 °C下预变形的疲劳寿命曲线
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图2 材料在（a）200°C和（b）300°C下预变形的循环应力-应变曲线
（2）损伤累积模型
蠕变损伤计算：假设蠕变引起的损伤累积发生在蠕变-破裂曲线的AB和BC段（图 3）。线段OA表示材料不会受到损伤的线弹性范围。损伤累积主要由物理平面上的最大法向应力引起。引入损伤状态变量ωcreep，整个蠕变破裂过程中的损伤积累可以表示为：
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图3 σ = σ(ε)，坐标系中蠕变-断裂曲线的示意图
疲劳损伤累积发生在AB和CD段上，如图 4所示。点A和C对应于材料的循环扭转屈服点τyc。在对应于BC和DA段的载荷范围内，由于此处的塑性应变没有增加（dγp = 0），损伤不会增加。图 4b显示了材料在正弦输入γ=γ(t)下的理想化响应曲线τ=τ(t)。图 4b中点A、B、C和D的位置仅作说明用。可以用下式表示疲劳损伤：
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图4 发生损伤累积过程的扭转载荷单周期段：（a）典型的磁滞回线τ = τ(γ)，（b）τ随时间变化的进程
（3）如图5所示，所提出的模型可以确定材料在循环变化的扭转载荷下的疲劳寿命，并取得了良好的结果。这适用于原材料和具有不同蠕变载荷历史的材料。与使用其中一些参数的Manson-Coffin方程相比，该模型还能用于确定材料在任何疲劳寿命阶段的损伤状态。
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图5 预测Nf_pred与实验Nf材料失效的循环次数：（a） 原始状态，（b） 在 200°C 下预变形，（c） 在 300°C 下预变形
致谢
本文中介绍的结果是比亚韦斯托克理工大学No.WZ/WM-IIM/4/2023项目的一部分。本文第一作者：Tomczyk Adam（Bialystok University of Technology），本文通讯作者：Tomczyk Adam（Bialystok University of Technology）。
本期小编 华飞龙（整理）
周子尧（校对）
舒 阳 （审核）
董乃健（发布）
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