疲劳短裂纹形成和扩展的划分定义探讨

根据对疲劳短裂纹生长行为的分析,将疲劳短裂纹形成和扩展过程划分为微观结构显著影响阶段和稳定生长阶段。综合考虑力学和材料两方面因素,给出了如下划分定义：疲劳短裂纹形成阶段为微观结构显著影响阶段;疲劳短裂纹扩展阶段为稳定生长阶段。通过有关文献分析并结合本试验观察,确定了疲劳短裂纹形成和扩展划分的临界裂纹长度为平均晶粒尺寸的５倍。     

疲劳短裂纹理论及寿命预测方法新进展

回顾短裂纹萌生和扩展机理、寿命预测以及短裂纹行为模拟方面的最新进展,侧重介绍疲劳短裂纹行为的统计模拟方法,马尔可夫链模型、威布尔分布函数、群体疲劳短裂纹的蒙特卡罗模拟和分形方法,以及应用蒙特卡罗方法及分形方法对低碳钢高温低周疲劳短裂纹行为所进行的模拟。对于基于BP(back propagation)神经网络的统计方法在疲劳短裂纹方面的应用也给予一定的介绍。     

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。     

基于短裂纹特性的疲劳损伤参数

通过对中碳钢光滑试样的疲劳实验,研究了疲劳过程中短裂纹的扩展和演化行为,分析了基于短裂纹群体行为的疲劳损伤参数来描述疲劳损伤的有效性。通过研究裂纹总数和裂纹总长这两个参数在疲劳损伤过程中的动态变化,对基于短裂纹群体行为的疲劳损伤检测方法进行了评价。     

表面疲劳短裂纹在钱余应力场中的扩展

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。用扫描电中的疲劳加载装置对表面裂纺的事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，残余应力场中的表面短裂纹扩展及开关变化完全可以通过其闭合行为的变化进行解释。     

晶粒分布形态对焊趾短裂纹疲劳行为影响的模拟

焊接结构的疲劳裂纹常常萌生于焊趾局部。在复杂的冶金物理作用下,焊趾局部的微观晶粒尺寸及其分布形态呈现明显差异性。为了探究晶粒分布形态对焊趾短裂纹疲劳行为的影响,针对十字焊接接头试件,对焊趾局部的不同区域进行了金相检验,获得粗晶区和细晶区的平均晶粒尺寸,构建了虑及晶粒分布形态的二维代表性体积单元(RVE)模型,基于FIP参量和McDowell模型实现了不同晶粒分布形态对焊趾短裂纹的成核与疲劳扩展行为的模拟,结果表明,微观晶粒尺寸和取向是焊趾短裂纹成核行为的重要影响因素;晶粒分布形态对短裂纹的早期行为影响较小,但在裂纹扩展至某个阈值长度之后,影响逐渐显著;一般情况下,细晶到粗晶的过渡方式可降低短裂纹的扩展速率。     

基于分形理论的复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹行为研究

含有裂纹的固体从物理角度看实际上是一个非线性耗散系统,可以用分形理论加以描述.疲劳短裂纹的扩展路径可视为分形曲线,裂纹扩展路径的不规则性可用分形维数加以描述.裂纹扩展的分形维数中隐含着诸多的物理因素,如材料微观组织结构、加载条件等.以复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹为研究对象,对20钢进行高温低周疲劳试验,观测试样表面疲劳短裂纹的萌生扩展及合体的演化过程,对试验结果进行分形分析,得到裂纹分形维数随循环过程的演化特征:疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征,分形维数随着疲劳进程的发展而稳定地成比例增加;分形维数不产生缺口依存性,可适用于各种不同应力比的复杂应力状态短裂纹的表征;分形维数可作为把握材料总体损伤状态的参数,为材料短裂纹阶段的寿命预测提供依据.     

焊趾微观短裂纹成核及其早期扩展的寿命仿真

针对十字焊接接头,研究了焊趾微观短裂纹成核和早期扩展的行为.采用泰森多边形方法,建立了焊趾部位的一个边长为150 μm的代表性单元(RE),基于疲劳指标参量(FIP)的分布特性,构建了FIP与微观短裂纹疲劳寿命之间的联系,计算了微观短裂纹的成核及其早期扩展寿命.结果 显示焊趾微观短裂纹成核及其早期扩展的计算寿命与试验寿命数据较为吻合,表明了该种计算方法的适用性;微观短裂纹成核及其早期扩展的计算寿命均占总体疲劳寿命的比值较大,因此具有不可忽略的影响;受晶粒微观结构的影响,导致早期裂纹的扩展路径呈现明显的曲折形态.     

基于疲劳短裂纹行为的疲劳寿命估算方法

在疲劳短裂纹形成和扩展行为基础上，提出了一种疲劳寿命估算方法。计算结果表明，该方法具有满意的预测精度。     

多轴非比例加载下疲劳短裂纹扩展速率的探讨

为了揭示出多轴非比例加载下疲劳短裂纹扩展的规律,利用搜寻临界面的方法确定短裂纹的萌生与扩展的方向,在临界面上分析多轴非比例加载与单轴加载下疲劳短裂纹扩展律的相似性,应用载荷的等效原理,类比单轴加载的研究过程,并将力学参数加以修改,导出多轴非比例加载下疲劳短裂纹扩展速率的计算公式。     

金属材料疲劳短裂纹萌生与扩展研究综述

系统梳理了金属材料疲劳短裂纹的定义、分类、试验方法、萌生机理及典型扩展率模型，对当前短裂纹行为研究面临的问题进行了总结与展望。研究结果表明，在萌生机理方面，材料自身的微观结构对短裂纹萌生及扩展有重要影响，短裂纹扩展至晶界处，受晶粒取向及晶界阻力影响，扩展率会下降，裂尖突破晶界束缚后，短裂纹扩展路径出现局部偏折。在扩展行为描述方面，短裂纹的扩展驱动力与承受的载荷水平、残余应力、表面处理方式、局部磨损状况等有关。扩展过程中，裂纹尖端材料在小范围内屈服而产生局部塑性区。同时，塑性尾迹区也逐渐形成，进而产生塑性诱导闭合，导致裂纹扩展门槛值降低。此外，晶体位错之间的相互作用和位错塞积会阻碍位错发展。机器学习算法作为一种先进技术手段，已在短裂纹扩展行为表征中得到应用，对提升预测精度有促进作用。随着金属材料短裂纹行为研究的进一步深入，未来可重点关注短裂纹萌生与扩展实时监测、试验影响因素控制、数据离散性分析、扩展率模型的工程应用等问题，探索建立适用于工程结构与零部件的在役长、短裂纹扩展率统一表征模型和实时监测与安全评估技术，结合先进的机器学习算法，实现对工程关键金属结构更有效、更准确的安全性评定和剩余...     

切应力状态下疲劳短裂纹的试验研究

通过扭转疲劳试验和塑料复型膜技术研究了中碳钢试样的疲劳短裂纹特性。疲劳短裂纹发生在长度方向与最大切应力相近的片状铁素体中，并在初期迅速扩展。但当其达到晶界时，裂纹扩展速度降低，甚至停止增长，成为不扩展裂纹。只有当应力强度因子满足ＬＥＦＭ条件时，裂纹才会克服晶界障碍继续扩展，最后形成主导裂纹导致试样破坏。疲劳断裂包含有全部三种断裂模式。     

呼吸式裂纹梁的振动疲劳裂纹扩展耦合分析

为提高结构振动疲劳分析的精度,提出一种呼吸式裂纹梁的振动疲劳裂纹扩展耦合分析方法。分析过程中,采用双线性弹簧描述呼吸式裂纹,广义的Forman方程模拟疲劳裂纹扩展;运用Galerkin法把裂纹梁简化为单自由度系统,振动分析与疲劳裂纹扩展计算交替进行,并考虑了振动疲劳裂纹扩展耦合行为。结果表明,对于含裂纹结构的振动疲劳裂纹扩展,采用呼吸式裂纹可以更客观地描述振动过程和裂纹扩展现象;激励频率和阻尼效应对疲劳寿命具有重要影响,尤其对共振疲劳裂纹扩展而言,阻尼效应特别明显。     

16Mn钢短裂纹疲劳扩展性能的试验研究

通过对带有表面盲孔的16Mn钢圆棒试样的疲劳试验,获得了试样盲孔边缘疲劳短裂纹的扩展规律。文中给出了有关试验结果,藉此建立了短裂纹表面长度与疲劳循环数间的关系以及裂纹扩展速率与疲劳载荷和裂纹尺寸之间的定理描述式。本文结果有助于加深对16Mn钢试样疲劳损伤过程的认识。     

高温低周疲劳表面短裂纹合体与干涉行为的实验研究及数值模拟

依据16MnR材料三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹的实验分析结果,提出一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型.模型计及材料细观结构影响及裂纹相互之间的干涉效应,并用该模型对16MnR材料表面疲劳短裂纹萌生、扩展、合体与干涉的全过程进行数值模拟分析,结果表明模拟结果与实验结果基本一致.该模型能有效用于短裂纹的模拟.     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹实验研究及数值模拟

依据16MnR材料三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹的实验分析结果，提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型。模型考虑了材料细观组织、细观结构影响及裂纹之间的相互作用，并用该模型对16MnR材料表面疲劳短裂纹群体演化全过程进行了数值模拟分析，结果表明模拟结果与实验结果基本一致，该模型能有效地用于短裂纹的模拟。最后提出微观短裂纹萌生驱动力与扩展驱动力概念。     

两级载荷作用下疲劳短裂纹扩展与疲劳损伤

通过正火３５钢带孔圆棒试样的旋弯疲劳试验，研究了两级加载下孔边疲劳短裂纹扩展的统计特性，以及应力水平改变对疲劳短裂纹扩展的影响。     

耐热钢CrMoCoV表面裂纹疲劳扩展试验及考虑闭合效应的数值分析研究

表面裂纹是高温结构服役过程中的常见缺陷形式,研究其在疲劳载荷下的扩展行为和规律是结构完整性评价的重要内容。开展了耐热钢CrMoCoV(FB2钢)含表面裂纹试样的疲劳试验,基于Zencrack软件,并考虑闭合效应修正进行了表面裂纹疲劳扩展的数值分析。结果表明,考虑裂纹闭合效应的模型,可以用于表面裂纹疲劳扩展行为的预测。     

低温环境下TC4ELI钛合金三维疲劳裂纹扩展模型

利用疲劳试验机及扫描电镜研究了不同温度(20,-20,-40,-60℃)下不同厚度(12.5,9.0,6.0,3.0 mm)TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展行为,建立低温环境下该合金的三维疲劳裂纹扩展模型。结果表明：由于闭合效应,减小厚度或降低温度均会减缓试验合金的疲劳裂纹扩展速率,Paris二维公式中的材料参数C和n并非常数;而在三维疲劳裂纹扩展理论框架下,修正后的Paris三维公式中的材料参数C_eff和n_eff均为常数,建立的三维疲劳裂纹扩展模型可以对不同温度下不同厚度试验合金的疲劳裂纹扩展行为进行归一化描述。