Q345高周疲劳失效机理及固有耗散能研究

双相钢Q345多用于建筑或机械结构的承力构件,循环载荷的长期作用使得构件在低于其静强度的载荷条件下发生疲劳断裂,经济可靠的强度设计需要对材料的疲劳失效进行研究。作者利用电磁谐振高频疲劳试验机,在载荷频率140 Hz、应力比为-1条件下,得到不同失效概率时材料高周疲劳（10⁴周次< 疲劳寿命< 10⁷周次）应力-寿命（S-N）曲线。利用扫描电子显微镜观察材料受到循环载荷作用后的显微结构的变化和疲劳失效后试样的断面微观形貌,研究材料疲劳裂纹的萌生和扩展。同时,利用红外热像仪记录Q345试样表面的温度场随循环载荷作用周次的变化,研究材料在高频循环载荷作用下的固有耗散能。双相钢Q345在高频循环载荷作用下的疲劳失效主要是由于铁素体-珠光体双相结构在循环载荷作用下的微观强度差异使得微观裂纹首先萌生于相对薄弱的铁素体晶粒,且随循环载荷周次的增加而裂纹逐渐扩展。珠光体晶粒对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用,使得疲劳裂纹沿铁素体或铁素体与珠光体之间的晶界向前扩展。当载荷幅值低于其高周疲劳极限时,试样表面温升不明显;有限寿命的载荷条件下,试样表面温度场的变化受到材料微观变形的影响,基于试样表面温度场的变化,能快速确定材料的高周疲劳强度极限。高频循环载荷作用下,单位体积材料的固有耗散能与载荷之间呈非线性关系,在热力学框架内建立了材料的固有耗散能表征模型。     

奥氏体不锈钢高温锅炉管失效分析

采用金相显微镜、扫描电镜以及拉伸、冲击、显微硬度测试等检测手段,对高温临氢环境下开裂的奥氏体不锈钢锅炉管进行失效原因分析。分析结果表明,奥氏体不锈钢高温锅炉管断裂为典型的疲劳一蠕变断裂模式,裂纹形态为穿晶沿晶混合萌生、沿晶扩展。高温不锈钢炉管在运行过程中承受较大的热应力,在锅炉频繁起停过程中应力不断循环变化,导致构件承受疲劳与蠕变交互作用并最终使奥氏体不锈钢锅炉管开裂。     

40Cr钢高频淬火和复合处理后的接触疲劳性能及其失效特征

本文研究了进行高频淬火和离子氮化加高频淬火复合热处理后的40Cr钢辊子试样的接触疲劳性能和失效特征。结果表明,40Cr钢复合热处理后的接触疲劳性能大大高于单一高频淬火,其主要失效形式是深层压裂和浅层剥落。本文同时提出了深层压裂的力学判据和浅层剥落的裂纹萌生、扩展及断口特征。     

等离子弧淬火工艺在坦克零件上的应用

采用等离子弧淬火工艺对坦克零件——曲臂、扭力轴、风扇轴、大制动鼓等进行表面处理，使零件的表面硬度有较大程度的提高．大制动鼓、扭力轴和曲臂等零件的表面硬度提高了25—36HRC，最高表面硬度可达到65HRC以上；淬火后的修复件变形量在0．0l一0．02mm范围以内．等离子弧作为高能量密度热源，用于零件表面淬火，可以强化表面，解决了装甲车辆大件局部淬火的难题，提高了零件的耐磨性和耐腐蚀性．     

断续双裂隙岩石抗拉强度与裂纹扩展颗粒流分析

利用颗粒流(PFC)构建了圆盘试样的巴西试验模型,模拟了含单条中心直裂隙和断续双裂隙试样的巴西试验,通过含中心直裂隙模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,并分析了裂隙参数对抗拉强度和裂纹扩展特征的影响.结果表明:抗拉强度总体随裂隙长度、岩桥倾角的增大而减小,随岩桥长度的增大而增大,但随裂隙倾角的改变呈非线性变化.断续双裂隙试样翼形裂纹一般萌生在裂隙的尖端,次生裂纹一般萌生在试样的边界.试样发生拉伸破坏,裂隙倾角主要影响翼形裂纹的萌生位置,岩桥倾角主要影响次生裂纹的萌生位置,裂隙长度主要影响试样的最终破裂程度,岩桥长度主要影响翼形裂纹的扩展程度.     

铝锂合金疲劳裂纹的微观实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验,动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化及微裂纹的萌生及扩展直到断裂的全过程,并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响,微裂纹向短裂纹、长裂纹发展的判据。本实验材料是模型材料,晶界结合强度较弱,裂纹沿晶开裂现象较多。经对实验结果及金相裂纹分析,表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响。晶界作为一种物质界面存在于晶粒间,具有一定的物理和力学性质,对微裂纹扩展速率及发展行为有较大影响。     

40GrNiMo中硬齿轮材料点蚀破坏的金相研究

采用金相试验方法,对40GrNiMo中等硬度齿轮材料在接触疲劳过程中的表面破坏形态、裂纹的萌生与扩展等问题进行了研究,并从金属学的角度对材料失效破坏过程进行了分析．     

鼓式制动器应力场数值模拟

针对鼓式制动器在制动过程中制动鼓出现开裂的问题,基于有限元法和瞬态热传导方程,分别建立了鼓式制动器接触分析模型和瞬态热分析模型。采用非线性接触方法分析了因制动蹄外张制动在制动鼓上产生的应力大小及其分布规律。利用瞬态生热对流与热传导分析方法得出了制动鼓上的生热-散热规律及其热应力的大小与分布规律。利用该模型分析了某重型车制动鼓开裂原因。结果表明,紧急制动工况时,机械应力和热应力对制动鼓不同部位的开裂都有影响,均可引起制动鼓疲劳开裂,且引起的开裂形态不同。该模型和分析方法对制动鼓的开裂失效研究具有很好的工程应用价值和理论指导意义。     

对40Cr钢表层硬度残余应力及接触疲劳性能的研究

研究了表面淬火、离子氮化＋表面淬火的复合热处理以及复合热处理＋喷丸处理3种表面强化处理工艺对40Cr钢的表层硬度残余应力分布以及接触疲劳性能的影响,结果表明：经过复合热处理＋喷丸工艺处理的40Cr钢可获得最高的表层硬度和残余压应力,同时也表现出最为优异的接触疲劳性能。据此提出,高的表层硬度和残余应力能够有效地抑制接触疲劳裂纹在试样表面的萌生和扩展,因而可大大提高40Cr钢的接触疲劳寿命。     

热处理对4Cr5MoSiVl钢热疲劳裂纹扩展驱动力的影响

利用自制的高频感应加热、吹风冷却式试验机,对4Cr5MoSiVl钢缺口板状试样进行了Coffin型热疲劳试验。记录了热循环次数、热疲劳裂纹长度、试样中热应力变化之间的关系。分析了热循环过程中试样中应力的变化及热处理的影响。结果表明:热疲劳裂纹扩展驱动力为循环下限温度时的拉应力,驱动力的产生起源于循环上限温度时的压缩塑性应变,主要受钢的组织循环稳定性和钢的高温屈服强度所控制。4Cr5MoSiV1钢淬火后,经较高温度回火,使组织较为稳定时,可以得到较低的热疲劳裂纹扩展驱动力,从而具有较低的裂纹扩展速度。     

复杂应力下TC11蠕变损伤及裂纹扩展研究

为探究TC11材料的蠕变损伤和蠕变裂纹扩展特性,以500℃下TC11的单轴蠕变试验为参考,基于考虑孔洞长大的延性耗竭蠕变损伤本构关系,建立有限元模型,研究了初始裂纹长度对CT试件裂纹扩展的影响以及初始裂纹尺寸对表面裂纹扩展的影响。研究表明:初始裂纹长度显著影响TC11材料CT试件的蠕变裂纹扩展行为,其值越大裂纹扩展速率、裂尖等效应力、裂尖应力三轴度越大,且初始裂纹长度对深裂纹试样(a_0/W=0.6,a_0/W=0.7)裂纹扩展特性的影响明显大于对浅裂纹试样(a_0/W=0.3,a_0/W=0.4,a_0/W=0.5)的影响;当表面裂纹最深处的应力强度因子K_(π/2)相同时,各试件在同一时刻深度方向的扩展量近似为长度方向扩展量的2倍,随着初始裂纹尺寸的增大,表面裂纹的扩展速率逐渐减慢,且初始裂纹长度对裂纹扩展的影响要大于初始裂纹深度对裂纹扩展的影响。     

车用含Nb奥氏体不锈钢热疲劳行为分析

采用自约束热疲劳试验方法,分析了排气歧管用含Nb奥氏体不锈钢热疲劳行为.结果表明:热疲劳裂纹主要沿晶界扩展,少部分穿过晶界扩展,与较大碳化物颗粒有关;除循环上限温度为1050℃的试样外,其他试样的热疲劳过程均包括萌生、加速扩展及稳态扩展阶段;随循环上限温度的升高,热疲劳裂纹起裂及达到最大扩展速率所需次数减少;循环上限温...     

镍基高温合金疲劳多裂纹扩展规律研究

采用光滑单边缺口小裂纹试样模拟了多裂纹的扩展情况,利用复型技术和光学显微镜观测了裂纹形态演化全过程,并初步分析了高温疲劳多裂纹的演化规律.结果表明:应力集中条件下的高温疲劳裂纹扩展主要是单裂系统破坏,随着温度升高,裂纹逐渐变为多裂系统;提高应力水平或升高温度,缺口表面典型区域萌生的小裂纹条数都将增多,平均裂纹长度都有所增大.     

消失模泡沫材质对球墨铸铁组织与性能的影响

利用金相显微镜、布氏硬度计、显微硬度计、定量金相软件等,对比研究了EPS与STMMA 2种消失模泡沫材质的球墨铸铁试样的组织与性能。结果表明:2种试样在石墨尺寸、形态、分布方面无明显差异,均存在少量的蠕虫状石墨;EPS球墨铸铁试样基体组织中的珠光体含量高于STMMA试样,且珠光体片层间距小于STMMA试样;EPS球墨铸铁试样的布氏硬度高于STMMA试样。     

6005A铝合金CMT焊接接头微观组织和疲劳裂纹萌生

使用冷金属过渡(CMT)焊接技术对6005A铝合金进行焊接,获得成形良好的焊接接头.应用光学显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜和能谱分析仪研究接头的微观组织、硬度和疲劳性能.结果表明:接头焊缝区以小尺寸的等轴晶和胞状树枝晶为主;熔合区存在明显的熔合线;近熔合线附近的热影响区中晶粒发生明显的粗化.接头显微硬度显示,热影响区中软化区是整个焊接接头的最薄弱区域.维氏硬度(HV)最低,为55,焊缝区为70.疲劳试样表面分析发现焊缝中存在长条状的第二相粒子,经能谱分析为AlSiFe相,在循环载荷的作用下,该相内部萌生了微裂纹,但并未扩展,说明该相对接头的疲劳性能影响不大.     

HT200加力器异常断裂失效分析

为了解决某机械厂HT200铸件异常断裂的问题,从化学成分、力学性能和金相组织等方面对HT200灰铸铁进行检验分析。分析表明,异常断裂的铸件中存在缩孔疏松、石墨粗大、珠光体含量低等缺陷,导致了铸件硬度和抗拉强度下降,从而使铸件易在外界机加工力作用下断裂失效。     

喷丸处理钢表面残余应力对接触疲劳性能影响的研究(英文)

本文阐述了20CrMnTi钢滚形试样经热处理和喷丸强化后,表面形变硬化层和残余应力对接触疲劳性能的影响。在本试验条件下,接触疲劳失效的主要形式为深层剥落和浅层剥落。表面的形变硬化层和残余压力能延缓表面裂纹的萌生,减慢裂纹的扩展速率,从而能显著地增长接触疲劳寿命。本文提出了表面残余应力及其对性能作用的物理模型。     

热处理对H_(13)钢热疲劳性能影响的研究

利用自制的电阻炉加热、循环水冷却式试验机,采用板状试样项端裂纹测试法,对 H13钢进行了热疲劳试验,测试了每100次循环后的裂纹长度和显微硬度的变化.试验结果表明:锻造余热淬火加高温回火后的热疲劳性能优于锻造缓冷加球化退火;提高淬火温度有利于 H13钢热疲劳性能的提高.根据显微组织观察,从理论上解释了上述规律.     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展试验研究

针对破损舰船的疲劳寿命问题,采用预制缺口的疲劳试样模拟破损舰体结构,利用液压伺服疲劳试验机对舰用疲劳试样进行了拉伸疲劳试验,研究了平板和加筋板预制缺口疲劳试样在拉伸疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律,确定了不同疲劳应力幅值作用下疲劳试样裂纹开裂的临界疲劳次数,得出了裂纹长度、疲劳载荷循环次数和疲劳应力幅值之间的拟合关系式,并与高频疲劳试验进行了比较.试验结果对预报破损舰船在波浪中航行时的裂纹扩展情况有重要参考价值.     

内聚力模型在裂纹萌生及扩展中的应用

断裂及开裂是工程中严重的结构失效形式.结合传统断裂力学中应力强度因子K以及J积分,综述了内聚力模型基本思想及发展,分析了典型的内聚力模型及模型应用的局限性,总结了不同内聚力模型在有限元中的实现形式,概述了国内外学者关于内聚力模型解决不同材料裂纹萌生与扩展的研究状况,得出了内聚力模型可以用以研究裂纹尖端塑性变形、静力和疲劳载荷条件下的蠕变开裂,以及金属、岩土材料及混凝土、复合材料及纳米晶材料裂纹萌生与裂纹扩展的结论.