文 献 综 述
【摘要】本文对近年来各研究人员在材料的时间相关棘轮行为、棘轮一疲劳交互作用、多晶金属棘轮行为的微观机理、循环晶体塑性本构模拟、先进材料的棘轮行为等方面的研究成果及相关研究现状进行了简要的描述。
关键词 棘轮行为 晶体塑性 微观机理 棘轮-疲劳交互作用
1 引言
棘轮行为是材料在非对称应力循环加载条件下产生的一种塑性变形的循环累积现象，受众多的因素影响，是一种复杂的变形形式。棘轮变形的产生一方面会使材料的塑性变形显著增加；另一方面也会使材料的疲劳寿命明显下降。棘轮效应在轮轨和轧辊滚动接触、压力容器和管道以及其它工程结构的安全性和寿命评估中有着重要意义。例如在汽车、船舶、高速列车以及航空航天等各领域中，许多金属结构构件都长期服役于循环荷载条件下，其服役过程中就有可能产生棘轮效应。
因此，棘轮行为是材料与结构的疲劳分析中需要面对的一个新问题，也是结构的疲劳寿命预测和可靠性评价中需要考虑的一个重要问题。近年来，棘轮行为研究得到了国内外固体力学界的广泛关注，已经取得了众多研究成果。然而，由于棘轮行为的复杂性和多变性，目前还有许多问题没有得到很好的解决，对棘轮行为的微观机理、基于微观机理的循环本构模型建立以及各类新材料的棘轮行为演化特征等都还需要进行系统而深入的研究。
2 时间相关棘轮行为的实验研究
对于时间相关棘轮行为的实验研究[2]，主要针对304不锈钢材料，进行了室温和高温下的单轴和非比例多轴时间相关棘轮行为的实验研究。研究结果表明：(1)即使在室温下，304不锈钢的棘轮行为也体现出明显的时间相关特性。(2)棘轮行为的时间相关特性在高温(700℃)下体现的尤为突出，在低应力率和较长峰/谷值保持时间下的棘轮行为明显高于高应力率和无峰/谷值保持的情形。(3)对非比例多轴加载情形，因在加载过程中通常不会涉及完全卸载，在某一加载方向的峰/谷值保持与否对多轴棘轮响应影响不大；然而，室温和高温(700℃)非比例多轴棘轮行为仍体现出明显的应力率效应，较低应力率下的棘轮变形明显高于高应力率情形。
针对实验揭示的时间相关棘轮行为的演化特征，针对时间相关棘轮行为建立了分离型[3]和统一型[4]的循环本构模型。
对于分离型时间相关棘轮本构模型[3]，研究表明，在统一粘塑性本构理论的框架下的分离型本构模型可以对室温和高温下棘轮行为的应力率效应和峰/谷值保持时间效应给出合理的描述，但不便于本构模型的有限元实现。分离型本构模型的实质是认为总的非弹性应变可分解为蠕变应变和粘塑性应变两部分，并且针对这两种非弹性应变分别引入不同的演化方程，通过蠕变应变的演化来反映低应力率和较长保持时间下棘轮变形体现出的显著的时间相关特性。同时，通过Ohno-Abdel-Karim混合型非线性随动硬化律[5]和非线性各向同性硬化律的引入来分别描述材料的棘轮行为和循环硬化行为。
