比例及非比例应力循环加载条件下的棘轮效应研究

通过对两种不锈钢材料分别进行比例和非比例应力循环加载棘轮效应试验。揭示了两种不锈钢材料的棘轮效应的一些特征，和导致这些棘轮效应特征的原因，得到了一些有意义的结果，为建立能较为精确地描述结构在多轴应力循环下的累积变形的本构模型提供了一定的实验及理论分析依据。     

纯铝的多轴非比例循环塑性行为实验研究

为纯铝材料进行了４种应变路径和２种轴向应力－扭转剪应变组合路径的非比例循环试验,揭示了纯铝在非比例循环加载下塑性应变率方向和塑性模量的演化特征;分析了纯铝的多轴棘轮行为。得到了一些有意义的结果。     

316L不锈钢的高温单轴应变循环与棘轮行为试验研究

对３１６Ｌ不锈钢进行了单轴应变和应力控制下的室温和高温循环试验。研究了３１６Ｌ不锈钢在室温及高温的应变循环下的循环应变幅值以及应变幅值历史效应、平均应变对循环特性的影响。对该材料在应力循环下的应力辐值、平均应力及其历史对循环蠕变（棘轮效应）的影响进行了分析。发现３１６Ｌ在非对称单轴应力下的棘轮效应不但依赖于当前加载状态，而且依赖于其加载历史。     

比例及非比例路径下16Mn钢的应力控制循环加载实验

应用MTS809系列电液(elec-hydrolic)伺服实验机及Teststar控制系统,对16Mn进行了应力控制的单轴及多轴非比例循环实验。研究了应力幅值大小及其历史对单轴及多轴棘轮效应的影响,结果表明,随着应力幅值的增加,棘轮应变增加,并逐步趋于稳定;同时,先前较大的应力幅值历史遏止了后继较小应力幅值下的棘轮效应。     

室温下不锈钢的多轴时相关循环变形行为

对1Cr18Ni9不锈钢在室温下的非比例多轴时相关循环应变特征和棘轮行为进行了试验研究，以考察应变率、应力率和加载路径对其循环变形行为的影响．结果表明，1Cr18Ni9不锈钢的循环应变行为和棘轮行为对应变率、应力率很敏感，具有时相关特点：在多轴应变循环下，其最大等效应力随应变率增大而增大；在棘轮试验中，其轴向棘轮应变则随着应力率减小而增大．此外，加载路径对1Cr18Ni9不锈钢的循环粘塑性变形行为也有较大影响：多轴应变循环下，在所采用的直线、菱形和圆形3种加载路径中，圆形路径引起的非比例附加硬化程度最高，其次是菱形路径．然而，试验发现，在多轴棘轮试验中，圆形路径产生的棘轮应变高于菱形路径.     

双曲面本构中单轴棘轮描述的塑性模量研究

开展了两种材料在不同应力水平和不同应力幅值下的单轴棘轮效应实验,进行了实验结果的塑性流动特性分析;揭示了单轴应力循环下的棘轮效应特征和塑性模量在正、反向加载时所遵循的不同演化规律,分析并指出了现有双曲面本构模型无法正常描述棘轮效应的实质。在此基础上,引入了新的塑性模量演化公式,并开展了数值模拟,通过与实验结果比较发现,两者吻合较好,从而验证了塑性模量演化公式的合理性。     

双曲面本构中单轴棘轮描述的塑性模量研究

开展了两种材料在不同应力水平和不同应力幅值下的单轴棘轮效应实验,进行了实验结果的塑性流动特性分析;揭示了单轴应力循环下的棘轮效应特征和塑性模量在正、反向加载时所遵循的不同演化规律,分析并指出了现有双曲面本构模型无法正常描述棘轮效应的实质。在此基础上,引入了新的塑性模量演化公式,并开展了数值模拟,通过与实验结果比较发现,两者吻合较好,从而验证了塑性模量演化公式的合理性。     

一种预测材料单轴饱和棘轮应变的本构模型

通过大量单轴棘轮实验,研究了均值、幅值、峰值和谷值应力对304不锈钢的饱和棘轮应变的影响规律以及棘轮历史对材料棘轮饱和变形状态的影响。结果表明,均值、幅值和谷值3种应力参量两两之间构成制约棘轮变形的二元参量,峰值应力与饱和棘轮应变之间在不受均值、幅值和谷值应力影响的单调函数关系,因而峰值应力是导致材料正向棘轮变形的根本原因。根据这一现象,提出了棘轮门槛应力值σrth和棘轮应力σr的概念,建立了基于单参数控制的、用于饱和棘轮应变预测和饱和棘轮本构模型SRM。实验发现,先前低循环应力水平下材料棘轮行为对后继高循环应力水平下的饱和棘轮变形无影响,进而提出了单试样法,利用该方法来确定SRM本构模型材料参数只需1-3个试样。基于单试样法建立的SRM模型用来预测在独立加载工况下304不锈钢试样的饱和棘轮应变,其安全因子介于1-1.3之间。σ     

1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴饱和棘轮演化模型

在常温与高温下，对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行单轴应力控制下的棘轮循环试验，分析峰值应力、平均应力、低应力循环历史及温度对饱和棘轮应变的影响．基于峰值应力与饱和棘轮应变的单调抛物率关系及棘轮门槛应力值与温度的线性关系，利用单试样法建立了1Cr18Ni9Ti不锈钢常温和高温下的饱和棘轮演化模型。     

考虑随动硬化对非比例循环路径依赖性的粘塑性本构模型

本文通过建立随动硬化的背应力演化对非比例循环路径及其历史具有依赖性的模型，表征了非比例循环下材料的附加硬化和流动特性。将其模型用于预测316L不锈钢在圆形和矩形路径下的复杂循环变形行为，其预言结果与实验结果吻合很好。     

超弹性镍钛形状记忆合金循环变形行为的研究进展

首先对近20年来在超弹性镍钛形状记忆合金循环变形行为研究方面的最新进展进行了简要的综述和评价,总结了超弹性镍钛形状记忆合金在应变控制和应力控制循环加载下的单轴循环变形特征,重点阐述了该合金在单轴循环变形过程中一些重要力学性能参数的变化规律、残余变形的发展和相变棘轮行为特征;然后,结合循环变形实验研究成果,在宏观唯象模型的框架下,介绍了近年来建立的3种典型的、超弹性镍钛形状记忆合金的循环本构模型,并评述了3种模型的预言能力;最后,讨论了已有研究在超弹性镍钛形状记忆合金热-机械耦合、非比例多轴循环变形行为以及循环变形微观机理研究方面存在的不足,并为相关问题的进一步研究提出了一些建议.     

氮对316系列不锈钢低周疲劳特性的影响

对３１６Ｌ和３１６ＬＮ奥氏体不锈钢进行了单轴拉压及两种典型应变路径下的多轴百比例如载体周疲劳试验,并对上述两种材料的单轴及多轴非比例加载低周疲劳位错结构进行了观察,重点分析了合金元素氮对不锈钢的同及多轴比例如载低疲劳特性及其微结构的影响,深入研究了非比例循环循环附加强化及低周疲劳寿命对合金元素依赖性的微观机理。     

金属材料在非对称非比例应变路径循环加载下的塑性行为

本文对42CrMoA高强度合金钢进行了具有不同平均应变的非比例拉压—扭转循环加载试验,研究平均应变对应力响应的影响。试验结果表明,在非对称应变循环下,材料的应力响应与平均应变无关。因此,在循环塑性本构模型的建立中,应该考虑这一试验现象。     

316L不锈钢多轴非比例加载低周疲劳特性及其微结构

本文对３１６Ｌ奥氏体不锈钢进行了各种应变路径下的非比例循环加载（非比例加载）低疲劳试验及其微结构的观察，将宏微观试验结构相结合，深入研究了多轴非比例循环附加强化的微观机理。     

紫铜的循环棘轮行为研究

对紫铜进行了单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。提示了紫铜在应变循环下的循环应变幅值历史，平均应变对循环特性的影响，分析了该材料在应力循环下的应力幅值，平均应力及其历史对循环蠕变的影响，得到了紫铜单轴循环行为的一些有意义的结果。     

1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴变形行为的试验研究

在室温至６５０℃温度范围内的几种温度下，对１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢材料进行了较广泛的单轴变形行为的试验研究。试验结果表明：该材料有明显的应变率敏感性；在４００℃至５５０℃范围内，材料循环加载时出现动力应变时效；该材料的循环变形行为温度有明显依赖性，且具有温度历史依赖性，以及应变幅值历史效应。     

轮轨接触应力与钢轨波磨分析

根据轮轨滚动接触中钢轨循环加载塑性累积和材料的Ratcheting效应，应用强化材料模型对钢轨内部的残余应力和累积变形进行了数值分析。分析结果表明钢轨材料的Ratcheting效应和轮轨接触应力的波动是钢轨表面剥离与压溃形波波磨产生的重要原因。     

桥梁结构钢裂纹塑性区的研究及应用

为了研究裂纹塑性对裂纹扩展的影响,利用工程简化算法、应力函数法、扩展有限元法对桥梁钢裂尖塑性区的尺寸和形状分别进行了计算;由于平面应力和平面应变情况下尾迹场循环塑性的特性不同,利用不连续扩展有限元对两种情况下尾迹场的循环塑性和塑性累积进行了模拟分析,探讨了裂尖塑性区、循环塑性区的形成和尾迹场产生压应力的机理.研究结果表明:裂尖塑性区尺寸与应力水平（名义应力与屈服极限的比值）的平方成正比,当应力水平大于0.4时,裂尖塑性区尺寸需要考虑应力水平的影响;裂尖塑性区的形状以蝶形向前伸展,使裂纹尾迹场免受裂尖高应力场的拉伸作用,有利于裂纹闭合;裂尖塑性区存在材料的逆向流动,在循环塑性区裂纹表面的塑性累积产生压应力效应有利于裂纹提前闭合,这种塑性诱发的裂纹提前闭合对研究变幅加载、过载引起的裂纹扩展滞后有重要意义.      

高速列车轮轨弹塑性滚动接触理论和数值方法的研究

课题组根据2004年度项目工作要点：在建立轮对和钢轨处于刚性约束条件下的运动方程和轮轨接触界面的滑动方程、建立二维弹塑性滚动接触理论模型、轮轨二维非稳态滚动接触条件下材料棘轮效应对轮轨滚动接触参与应力应变分析、二维滚动接触条件下滚滑温度分析计算、二维滚动接触条件下粗糙度和水膜对轮轨滚动接触影响分析等方面开展了研究。同时，     

45钢单轴应变循环软化行为的本构模型

为了更好地描述材料的循环软化行为,基于调质处理的45钢在对称与非对称应变循环加载下的变形特征,建立了其循环塑性本构模型.模型中考虑了材料在初始1/4循环加载时达到上屈服限后的应变软化现象.此外,用屈服面半径和背应力演化方程对后继循环软化行为进行了模拟.结果表明,在低周疲劳过程中,无论是循环软化滞回圈形状,还是循环应力幅值随循环周次的变化,理论预测与实验结果均吻合得很好.