纯铜圆棒缺口试件拉压循环下的疲劳寿命分析

1 实验材料与试件加工
试 验 材 料 为 工 业 纯 铜 棒 材 （T2 ) , 其 密 度 p = 8. 96 g/ cm 2 ,极 限 强 度 〜 为 303. 6 M P a , 延 伸 率 为
Cu + Ag 99. 935
P 0. 041 6
Bi 0. 003 6
表 1 纯 铜 T 2 的化学成分表/% Table 1 Chemical composition of pure copper-T2/ %
早 期 人 们 对 应 力 集 中 构 件 的 疲 劳 寿 命 预 测 [1] 采用名义应力应变法，它的精确度不高，因此后来又 提 出 了 局 部 应 力 应 变 法 [2’3]、应 力 梯 度 法 [2’3]和临界 域 法 [2’3]等 方 法 。
局部应力应变法采用的方法有近似分析法 (Neubei•法[2’3]、等效应变能密度法[4’5]、修 正 Neuber 法 [6]等 ）和有限元分析法[7’8]，用其分析缺口件危险 点 的 局 部 应 力 应 变 历 程 ，以 预 测 疲 劳 寿 命 。没 有 考 虑 梯 度 和 多 轴 效 应 的 影 响 ，在 很 多 情 况 下 预 测 寿 命 结果并不理想。为改进这一点，应力梯度法[9_ 11]考 虑了缺口部位区域相对应力梯度的变化。而临界域 法 [12，13]认为疲劳破坏与缺口根部某一临界区域内
Sb 0.001
As 0. 001 5
Fe 0. 003 2
Ni 0. 002 3
Pb 0.003
Sn 0. 001 9
Zn 0. 002 5
s
0. 003 4
Cd 0.001
-------------------2〇16 年 5 月 M 日收到 国家自然科学基金项目（11272〇94)资助
* 通 信 作 者 简 介 : 张 克 实 （I954— ) , 男 ，教 授 , 博 士 。E-mall:zhangks
第 16卷 第 30期 2016年 10月 1671 — 1815(2016)30-0157-08
力学
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 16 No. 30 Oct. 2016 © 2016 Sci. Tech. Engrg.
纯铜圆棒缺口试件拉压循环下的 疲劳寿命分析
苏 莹 1，2 黄 世 鸿 1 秦 胜 欢 1 陆 大 敏 1 熊 再 银 1 张 克 实 “
( 广西大学土木建筑工程学院1 ,南 宁 5 3 0 0 0 4 ;贺州学院建筑工程学院2 ,贺 州 542899)
摘 要 对 纯 铜 光 滑律 差 异 进 行 探 讨 。通过光滑试件和缺口试件的循环疲劳试验和缺口试件
的应力应变有关。例 如 ，Luca[14]以给定临界距离内 的平均应力为损伤参量预测缺口件疲劳寿命;但其 计 算 复 杂 ，且 在 实 际 结 构 中 临 界 距 离 难 以 确 定 ，仍需 进一步探索。
为 避 免 材 料 复 杂 成 分 和 组 织 的 影 响 ，本 文 用 纯 铜 制 成 实 心 光 滑 试 件 和 缺 口 试 件 ;用 MTS8 0 9 液压 疲 劳 试 验 机 进 行 应 变 幅 值 分 别 为 〇.3 % 、0. 3 5 % 、 0. 4 % 、0. 5 % 的 低 周 疲 劳 试 验 ，并 用 Chaboche循环 塑性模型对缺口试件的循环加载过程进行模拟分 析 。结合模拟分析和实验分析，用局部应力应变法 和应力梯度法对缺口试件的疲劳寿命进行预测和比 较 ，试图探讨缺口试件低周疲劳加载下的局部应力 应 变 变 化 、应 力 梯 度 对 缺 口 件 疲 劳 寿 命 的 影 响 及 光 滑试件与缺口试件的疲劳寿命规律差异。
关 键 词 缺 口 试 件 局部应力应变 中 图 法 分 类 号 0346.2 TU512.1
应力梯度 疲劳寿命 文献标志码A
在循环荷载下工作的工程构件不可避免存在应 力集中、三 轴应力状态较为复杂的区域（由缺口、裂 缝 、开槽等因素造成）；而构件的破坏往往始于这一 区域。人们对应力集中且应力状态复杂的材料疲劳 破 坏 机 制 还 缺 乏 比 较 深 入 的 认 识 ，无 论 理 论 上 还 是 实践上对它进行更深入的研究是有必要的。
测 结 果 可 得 到 基 本 合 理 的 结 果 ; 但 对 小 缺 口 试 件 估 测 寿 命 结 果 不 合 理 ；应 力 梯 度 法 对 缺 口 试 件 寿 命 估 测 结 果 较 局 部 应 力 应 变
法 合 理 ，因 此 可 认 为 应 力 梯 度 是 影 响 光 滑 和 缺 口 试 件 疲 劳 寿 命 差 异 的 重 要 因 素 。
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39. 5 % 。主 要 化学成分如表1 所 示 ，分别制成实心
光滑试样和缺口试样，试 样 几 何 尺 寸 如 图 1 所 示 。 用数控机床 经 车 削和磨削加工而成。
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科学技术与工程
16卷
表 2 模型的材料参数
Table 2 Material parameter of the model
密度， 弹性校黾/
( kg •m -3)
MPa
泊松比
〇■〇/ MPa
<?〇〇/ MPa
b
C⑶
/M Pa
y⑴
/M Pa
8. 96 x l 0 _ 9 108 225
0.326
5
12
74
45 800
980
2 000
100
50
17.5
50
17.5
50
185
N
a
y爲
( 2)
式 (2)中 yv为背应力分量的个数。而背应力演化由 式 (3)描述。
的 局 部 循 环 弹 塑 性 应 力 应 变 响 应 分 析 ，结 合 数 值 模 拟 与 实 验 ，比 较 了 现 有 寿 命 预 测 方 法 对 缺 口 试 件 寿 命 预 测 结 果 的 差 异 。研
究 结 果 表 明 ：传 统 的 等 应 变 幅 等 寿 命 的 概 念 对 于 缺 口 试 件 的 疲 劳 评 估 是 不 合 理 的 ；局 部 应 力 应 变 法 用 于 大 缺 口 试 件 的 寿 命 预