TC21钛合金的疲劳裂纹扩展研究

建立了新型损伤容限性钛合金TC21的疲劳裂纹扩展模型;研究了疲劳裂纹扩展速率da／dN与疲劳裂纹扩展门槛值之间的关系。该模型预测了TC21钛合金的疲劳裂纹扩展速率,其预测结果与实验结果非常吻合。     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

面向再制造的510L钢疲劳裂纹扩展磁记忆检测

为探索磁记忆信号在铁磁性材料裂纹扩展过程中的变化规律,以510L钢为研究对象,采集裂纹扩展过程不同区域的磁记忆信号,计算裂纹尖端的应力强度因子,分析疲劳断口形貌,探讨金属磁记忆方法对铁磁材料疲劳损伤与裂纹扩展检测的可行性,并建立裂纹尖端磁记忆信号梯度Kmax值和应力强度因子KI之间的关系。结果表明:M(T)试样宏观切口处的磁记忆信号特征量比裂纹尖端应力集中处的磁记忆信号特征量明显;梯度Kmax值和应力强度因子KI在疲劳循环累积下均呈指数形式增加,从断裂力学角度说明Kmax反映疲劳累积损伤的可行性;磁记忆信号特征量ΔHp(y)及Kmax可以反映经过不同服役期的510L钢损伤情况,为再制造修复和加工提供依据。     

表面疲劳裂纹扩展的三维效应

以拉伸圆杆为例，阐述表面疲劳裂纹扩展中的三维效应及其特点，利用最新的三维断裂力学成果给出一种考虑表面疲劳裂纹扩展三维效应的具体方法，通过该方法可以得到考虑三维应力状态的材料da/dN-ΔKeff曲线，以20CrMo钢为例，处理获得20CrMo材料的da/dN-ΔKeff基线，以此对圆杆表面疲劳裂纹的扩展进行预测分析，分析结果表明，使用该方法以及来自标准穿透裂纹试件的材料da/dN-ΔK数据可准确地预测圆杆表面疲劳裂纹的扩展寿命，该方法还可用于其他复杂结构的疲劳裂纹扩展分析。     

涡轮盘合金氧化-疲劳裂纹扩展机理和寿命预测研究进展

航空发动机涡轮盘在其服役过程中往往在高温燃气环境下承受热载荷和机械载荷共同作用,最终因疲劳、蠕变以及氧化的交互作用而失效.随着高推重比航空发动机的发展和涡轮前温度的提高,氧化损伤对涡轮盘表面疲劳裂纹扩展的影响愈加显著,往往可使疲劳裂纹扩散速率提高1～2个数量级.综述氧化损伤对涡轮盘用高温合金疲劳裂纹扩展的影响以及疲劳裂纹尖端氧化损伤机理,分析裂纹尖端疲劳损伤、氧化损伤和动态脆化影响裂纹扩展的竞争机制,梳理考虑氧化损伤效应的疲劳裂纹扩展模型和数值模拟方法,对实现氧化-疲劳载荷作用下裂纹扩展速率的准确预测所还需开展的工作进行展望,以期有助于促进航空发动机涡轮盘损伤容限设计方法和工具的发展.     

“过载”在da/dN—ΔK曲线与ΔK_(th)降载法测量中的影响及其对策

对在 10 - 5～ 10 - 7mm cycle疲劳裂纹扩展曲线da dN—ΔK和疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth测量中常用的降载法进行研究。每一级载荷疲劳裂纹扩展二次 (Δa1i,ΔN1i)和 (Δa2i,ΔN2i)。用多点多项式分别拟合 (Δa1i,ΔN1i,ΔK1i)和(Δa2i,ΔN2i,ΔK2i) ,i=1,2 ,3 ,… ,n。每一种材料得到两条da dN—ΔK曲线和两个ΔKth。结果表明 ,降载法中的前一级载荷仍明显有过载作用 ,干扰材料疲劳裂纹扩展 ,影响测量数据的真实性。本文提出解决方法———“二次扩展法” ,即在每一级载荷 ,舍去受前一级载荷影响大的第一次循环数据 ,而用受前一级载荷影响较小的第二次循环数据作为疲劳裂纹扩展曲线da dN—ΔK和计算疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth的数据     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

低碳钢Q345多尺度疲劳断裂行为研究

为了解决钢结构疲劳断裂问题,该文基于应力等效原理引入了材料内部微、细观缺陷的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟了含损伤的低碳钢Q345多尺度疲劳裂纹扩展过程,研究了裂纹尖端场分布及其疲劳断裂行为。研究表明,材料内部微、细观缺陷引起的损伤对宏观裂纹尖端塑性区分布、尖端应力强度因子和J积分均具有较大影响,裂纹达到一定长度后,影响更为显著,且会较为明显地加速宏观裂纹扩展。     

确定疲劳裂纹扩展速率的积分法

针对疲劳裂纹扩展试验中采用传统的差分方法得到的da/dN-ΔK数据分散性较大的问题,提出了得到裂纹扩展速率的积分方法,并将两种方法与试验结果进行了比较,结果表明,积分方法得到的结果与试验结果符合得很好,得到的裂纹扩展速率更精确。     

30Cr2Ni4MoV转子钢II型裂纹的疲劳扩展行为

材料疲劳裂纹扩展(Fatigue crack propagation,FCP)速率是表征材料抗疲劳破坏的重要力学性能指标,是对核反应堆工程、化工、航空、航天、高铁等关键工程进行结构完整性评价的重要依据。采用Arcan试样对30Cr2Ni4MoV转子钢的II型裂纹疲劳扩展行为进行研究,结合已有裂纹扩展方向预测准则对II型裂纹疲劳扩展方向进行预测,结果表明,最大周向应力准则可以较好地预测II型裂纹疲劳扩展方向。采用紧凑拉伸(Compact tension,CT)试样获取30Cr2Ni4MoV转子钢的I型裂纹疲劳扩展速率,对比I型裂纹和II型裂纹的疲劳扩展试验获得的FCP速率与J积分范围关系趋势,二者较为接近。针对30Cr2Ni4MoV转子钢,依据Arcan试样获得的II型裂纹疲劳扩展速率试验结果可用于结构裂纹扩展剩余寿命的预测。     

表面疲劳短裂纹在残余压应力场中的扩展

研究Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金表面短裂纹在喷丸残余应力场中的扩展行为。用扫描电镜中的疲劳加载装置对表面裂纹的闭合行为进行原位观察和测量。研究表明,表面短裂纹具有较穿透短裂纹更低的扩展门槛值,表面短裂纹的闭合与残余压应力场的大小和分布密切相关,残余压应力场中的表面短裂纹扩展及形状变化完全可以通过其闭合行为的变化进行解释。     

疲劳裂纹萌生尺寸的定义及其确定方法

以缺口件为研究对象，根据疲劳非扩展裂纹的性质，给出裂纹萌生尺寸的定义，提出疲劳裂纹萌生尺寸的确定方法，从损伤角度解释其萌生尺寸的物理意义，最后用局部应力应变法估算形成寿命，验证其合理性。     

钝缺口试样疲劳短裂纹形成与扩展

对两种晶粒尺寸的中碳钢钝缺口试样进行了对称拉疲劳试验，应用复型方法观察了疲劳理解纹沿缺口根部的早期形成与扩展过程；测量了表面裂纹形状随裂纹长度的变化规律。结果表明，试样的破坏是由形成于缺口根部表面的短裂纹扩展、裂纹间连接形成穿透裂纹，穿透裂纹扩则引起的。     

含双裂纹齿轮副轮齿裂纹扩展寿命分析

裂纹扩展是齿轮传动的主要故障,而且裂纹所处位置对裂纹扩展行为作用明显。为探讨齿轮副轮齿裂纹位置与裂纹扩展寿命的关系,提出几种相邻轮齿含分度圆裂纹和齿根裂纹的双裂纹齿轮副模型,基于ABAQUS建立齿轮副的三齿啮合有限元分析模型,分析不同载荷作用下分度圆裂纹和齿根裂纹尖端的主应力值和应力强度因子值;结合Pairs方程探讨分度圆裂纹扩展和齿根裂纹扩展寿命之间的关系。结果表明:齿轮副单齿啮合时的裂纹尖端应力比齿轮副双齿啮合时的裂纹尖端应力大,而且裂纹尖端的弯曲应力明显大于剪切应力;同一载荷同一裂纹深度时,齿根裂纹尖端的应力强度因子值大于分度圆裂纹尖端的应力强度因子值;相同加载时,含齿根裂纹齿轮的裂纹扩展寿命小于含分度圆裂纹齿轮的裂纹扩展寿命;裂纹扩展过程中,齿根裂纹深度和分度圆裂纹深度之比非定值,而且深度之比与载荷无关。     

一种服役过的涡轮盘槽底裂纹损伤容限定寿研究

在对槽底裂纹研究的基础上，计算并分析了涡轮盘在热应力、离心应力和残余应力共同作用下Ｊ积分随裂纹长度和转速的变化规律。根据材料的高温断裂韧度和裂纹扩展速率数据，求得临界裂纹长度和疲劳裂纹扩展寿命。最后确定了检查周期一定条件下的允许工程裂纹长度。     

压力容器焊接结晶裂纹与防止措施

介绍了压力容器焊接过程中结晶裂纹产生的机理、影响因素及防止措施。     

15MnVN钢疲劳短裂纹生长演化特性

对循环载荷作用下 15MnVN钢的显微组织变形、微观裂纹的萌生和短裂纹扩展过程进行了研究。结果表明 ,在孔边应力集中处 ,显微组织的变形是不均匀的 ,其主要集中在铁素体晶粒内。在循环载荷作用下 ,晶内滑移带与晶界相互作用 ,形成晶界微裂纹。微裂纹合并形成短裂纹。裂纹尖端塑性区内晶粒同样经历裂纹的萌生和扩展过程。在短裂纹范围内 ,裂纹的扩展过程有很大的随机性。分析结果表明 ,短裂纹的扩展过程符合对数正态分布。     

齿轮轮缘厚度对裂纹扩展路径的影响研究

齿轮是机械传动中非常重要的零部件之一.随着我国直升机传动系统的发展,对齿轮传动的可靠性提出了更高的要求.齿轮在传动过程中经常发生齿根疲劳折断现象,严重影响了齿轮的传动.因此,从线弹性断裂力学角度出发,提出了基于Abaqus的计算齿轮断裂过程中断裂参数的方法,并分步模拟了裂纹的扩展趋势,同时比较在全齿高不变的情况下,齿轮上不同的轮缘尺寸对裂纹扩展路径以及裂纹扩展速率的影响,为齿轮传动的安全性和可靠性设计打下基础.     

疲劳裂纹闭合的数值模拟方法

用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸应力作用下的疲劳裂纹扩展过程,对塑性变形导致的裂纹闭合效应进行了分析。试件材料为2024-T351铝合金板,平面应力状态,线性随动强化假设。分析中考虑裂纹面的弹塑性接触和几何非线性变形,通过逐步释放裂尖节点来模拟裂纹扩展。考察了裂尖局部网格单元尺度、裂纹长度和平均应力对裂纹张开/闭合应力水平的影响。裂纹闭合效应会随疲劳裂纹长度增加而逐渐增强,呈先爬升再缓慢下降的趋势,应力比的增大会导致裂纹张开/闭合应力水平提高。此外,网格细度也对张开/闭合应力的大小有一定影响。     

含裂纹石油管道的工作寿命预测

以沿管道轴向扩展的疲劳裂纹扩展速率为基础，经过一定的修正，以此分析实际输油管加较常见的内表面半椭圆裂 扩展规律，从而预测出含此种裂纹的管道的工作寿命，解决了工程中的实际问题，为工程应用提供了可靠的理论依据。