随着世界工业的发展和进步,各种动力机械及高温高压设备的应用将会更加广泛,随之而来的安全可靠性问题也将更为突出。在工程实际中,各类构件的失效约有百分之八十是由疲劳破坏引起的。所以对疲劳问题的研究具有重要的学术意义和工程意义。实验证实许多疲劳断裂过程取决于短裂纹的萌生、扩展、合体与干涉过程,短裂纹阶段有时可占到构件总寿命的百分之八十以上。传统的宏观断裂力学理论不再适合于短裂纹,而且短裂纹扩展速率表现出很大的随机性。因此要求我们从宏观重返微观,深入研究短裂纹行为规律。这将有助于客观的进行寿命预测、适时进行设备检修、及时更换部件,减免事故的发生。目前对短裂纹的研究还处于起步阶段,还需要更深入的研究与发展。 本文是以复杂应力状态下高温疲劳表面短裂纹合体与干涉行为为研究对象,通过实验所获得的短裂纹特征与已知的短裂纹规律,建立起描述其演化过程的物理模型,基于Monte Carlo方法,来对短裂纹群体萌生、扩展、合体与干涉行为进行可视化再现。吸收实验和理论分析结果分析疲劳损伤参数,进而实现寿命、余寿命预测。本文的主要内容可概述如下: 1、论述了疲劳裂纹研究的背景及意义,系统地评述了当前疲劳学界正在探讨的各种疲劳长、短裂纹模型。 2、参与并完成了16MnR材料的复杂应力状态下高温疲劳表面短裂纹合体与干涉行为的实验研究,采用中断试验和复膜技术相结合的方法实现了复杂应力状态下高温疲劳表面短裂纹合体与干涉行为的观测与分析,获得了其演化特征及损伤机理。 3、根据金属凝固过程是一Monte Carlo过程,建立了金属材料显微组织的简化Monte Carlo方法,采用“随机投放,等速增长,遂点扫描法”的方法形成晶界图,并通过识别晶界中的三重点,剔除奇异三重点,从而获得晶界结构的直线近似形态图,为细观组织短裂纹的数值模拟做好准备。 4、用Monte Carlo方法建立了描述疲劳短裂纹萌生、扩展、合体与干涉过程的物理模型,模型计及了组织结构的障碍作用及裂纹之间的干涉效应及合体现象,可以定量的描述裂纹萌生、扩展、合体与干涉的全过程,实现了材料疲劳损伤细观物理过程的可视化再现。 5、本文对模拟结果进行了分析,并探讨了表征材料损伤的疲劳损伤参数,最终提出一定面积上的裂纹总长度可以做为材料损伤的疲劳损伤参数。并拟合出裂纹总长度与材料相对寿命之间的关系式及曲线,用以材料的疲劳寿命预测。