气孔对铝合金焊接接头超长疲劳寿命的影响

采用超声疲劳试验方法对铝合金5052-H32焊接接头进行疲劳试验,研究其在超长寿命区间(107~109周次)的疲劳强度及失效机理.结果表明,相同疲劳寿命下焊接接头疲劳强度较母材下降了73.3%,在超高周疲劳区间仍然会发生疲劳破坏;断口观察发现焊接缺陷(气孔)是诱发疲劳裂纹萌生的主要原因.为揭示焊接缺陷对焊接接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响,采用有限元技术分析了气孔对应力集中系数和裂纹尖端应力强度因子的影响.最后讨论了焊接缺陷对疲劳寿命的影响机制及裂纹扩展特性.     

结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命N_i和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.     

基于解析算法与J积分法的耐候钢接头疲劳裂纹扩展分析

为准确描述焊接接头疲劳裂纹在扩展中的动态过程,借助多阵元超声相控阵设备对12 mm厚耐候钢对接接头的表面裂纹扩展动态进行实时监测,得到半椭圆形裂纹深度、长度与寿命的演化关系.借助Abaqus建立有限元分析模型,将裂纹几何变化历程输入,计算裂纹尖端7个方向的能量释放率,获得裂纹尖端应力强度因子幅值.将裂纹尖端(θ = 90o)的K值与BS7910标准中推荐解析公式对比分析,其结果吻合性好.在此基础上,分别采用简化公式与两阶段扩展模型计算试样的疲劳寿命. 结果表明,两阶段裂纹扩展模型能准确地预测对接接头裂纹的疲劳寿命,且与试验结果高度吻合.     

基于等效裂纹初始尺寸的断裂力学疲劳评定

先采用裂纹模拟法对Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳强度进行评定,通过将接头模拟成带标准裂纹的构件来计算焊接接头等效应力强度因子范围,并与接头裂纹扩展门槛值比较来判断焊接件是否发生疲劳失效,结果表明,裂纹模拟法能够对Al6082-T6搅拌摩擦焊接头做出合理的疲劳评定。将裂纹模拟法中模拟的裂纹尺寸作为断裂力学中的裂纹初始尺寸用于预测Al6082-T6铝管接头的疲劳寿命,预测结果良好,误差基本在3倍因子之内,结果偏保守,工程应用安全。     

GH3230镍基高温合金的循环热震裂纹扩展行为

为了研究航空发动机火焰筒材料循环热震裂纹萌生扩展机制，采用自主搭建的水冷热震试验设备开展了GH3230镍基高温合金V型缺口平板试样的循环热震试验，峰值温度分别为800、900和1000℃。并采用有限元方法计算了裂纹尖端的应力场，最后基于Paris公式建立了不同峰值温度下GH3230镍基高温合金循环热震裂纹扩展速率模型。结果表明：随着峰值温度升高，循环热震裂纹萌生寿命逐渐降低，裂纹扩展速率加快，次裂纹的长度和深度也随之增加。随着裂纹的扩展，主裂纹尖端应力强度因子逐渐增加。次裂纹的存在会降低主裂纹尖端应力强度因子，但影响较小。Paris公式可以很好地描述循环热震裂纹扩展速率与裂尖应力强度因子幅值之间的关系。     

SMA490BW钢激光-MAG复合焊T型接头疲劳性能

对激光-MAG复合焊和MAG焊T型接头进行了四点弯曲疲劳试验,采用最小二乘法拟合疲劳S-N曲线,估算了两种焊接方法 T型接头循环寿命为107时的疲劳强度。试验结果表明,当循环基数为107次时,激光-MAG复合焊接头的疲劳强度较常规MAG焊接头提高17.5%。观察两种焊接方法的疲劳断口发现,断口位置在熔合区的焊趾处,裂纹扩展区疲劳辉纹明暗相交,既短又不连续,呈韧性疲劳断口特征。但激光-MAG复合焊疲劳裂纹扩展区撕裂棱凸出较大,裂纹扩展时所需的动力更大,断裂韧性更高。分析发现,焊趾处圆滑过渡和细小的熔合区微观组织导致激光-MAG复合焊T型接头的疲劳强度高于MAG焊。     

激光-电弧复合焊接7075-T6铝合金裂纹扩展分析

研究了7075-T6铝合金薄板激光复合焊焊接接头疲劳裂纹扩展寿命.同时通过试验建立了不同热输入与弹性模量之间的函数关系并预测了给定热输入下的疲劳寿命.基于改进的Forman公式,提出了一种考虑7075-T6复合焊接头性能差异性、应力强度因子门槛值、裂纹扩展驱动力以及残余应力等多因素耦合的接头寿命预测模型.通过有限元模拟仿真并结合裂纹扩展和接头拉伸试验,对提出的模型进行了验证.结果表明,该模型预报的接头寿命与试验结果吻合较好.     

核反应堆关键焊接结构应力腐蚀裂纹失效评估

以沸水堆堆芯围板焊接热影响区应力腐蚀开裂为例进行了裂纹扩展评估研究.采用有限元模拟与试验检测数据验证相结合的方法对焊接热影响区焊接残余应力场及应力腐蚀开裂扩展过程进行模拟.通过有限元方法计算了应力腐蚀开裂裂纹尖端应力强度因子,再根据应力腐蚀裂纹扩展试验数据获得裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展速率的关系,最终预测了沸水堆堆芯围板的使用寿命,解决了重大构件基于应力腐蚀开裂失效的安全评估问题.该研究过程为重大构件的腐蚀疲劳裂纹失效的安全使用提供了可借鉴的方法.     

A356铸造铝合金的疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展研究

研究了A356-T6铸造铝合金的缺口疲劳裂纹萌生与早期扩展行为及机制.结果表明,热等静压试样的疲劳抗力优于非热等静压试样.对于钝缺口试样,疲劳裂纹萌生于缺口根部附近的多个平面,最终哪个裂纹源扩展成主裂纹取决于局部微观组织.对于缺口几何形状不同的热等静压和非热等静压疲劳试样,在疲劳过程中,不管是在高应力状态下,还是在低应力状态下,都出现了铝基体的循环塑性变形和共晶硅粒子断裂导致疲劳裂纹萌生.对于非热等静压试样,铸造缩孔在构件的疲劳过程中起着重要作用,但即使缺口根部存在较大尺度的铸造缩孔,导致了疲劳裂纹萌生,但也同时观察到疲劳裂纹从共晶硅粒子、金属间化合物、铝基体的滑移带和铁基金属间化合物等处萌生.对于脆性的A356铸造铝合金可采用修正的断裂力学参量ΔKn、局部应力范围Δσ或局部应变幅Δε/2作为控制参量来表征疲劳裂纹萌生行为,而缺口有效应力强度因子范围ΔKneff和ΔJs参量可用来表征缺口场中短裂纹扩展行为.     

含孔洞缺陷焊接接头放电强化及疲劳寿命分析

针对焊接接头中存在的孔洞等形式的缺陷,利用自制的ZL-2型超强脉冲放电装置对含孔洞缺陷的9CrSi合金工具钢焊接接头进行了电磁热强化试验,并在自制的疲劳试验机上对放电前后焊接接头的疲劳寿命进行了对比分析,从理论上计算了含孔洞缺陷焊接接头放电瞬间的综合应力强度因子.结果表明,放电电压对疲劳寿命的影响存在最优值,在5.5 kV脉冲放电电压作用下,放电后的焊接接头平均疲劳寿命比放电前提高了10%以上,理论计算的电热应力强度因子为负值,削弱了裂纹扩展的驱动力,进而延长了试件的疲劳寿命.