无缝钢管疲劳断裂分离新工艺及实验研究

针对传统的金属管材分离技术存在生产效率低、能耗高以及浪费原材料等问题，采用了一种新的管材分离方法，利用偏心加载工艺和应力集中效应促使管材表面环状V形槽底尖端处快速萌生疲劳裂纹并控制疲劳裂纹的稳定扩展。描述了管材的偏心循环加载疲劳断裂分离装置的工作原理，推导出了疲劳加载下管材V形槽根部裂纹是否起裂的判断公式。设计了线性递减、多层阶梯递减、1/4凸弧递减和1/4凹弧递减四种实验控制曲线，针对304不锈钢管材进行实验研究，实现了管材的精密分离。实验结果表明，利用V形槽的应力集中效应，在偏心加载力的持续作用下，加载频率采用多层阶梯递减控制曲线由高到低地逐渐降低加载频率，能够保证管材V形槽根部裂纹的快速萌生和稳定扩展，并可实现管材快速断裂，获得良好的断面质量。     

304不锈钢棒气动式可控旋弯下料工艺及试验

针对金属棒料传统下料工艺存在断面质量差、材料利用率低、能耗高等问题,提出一种综合利用预制环状V型槽缺口效应、起裂微裂纹及扩展宏观裂纹裂尖应力集中效应的新型气动式棒料可控旋弯下料工艺,详细介绍了该下料工艺的工作原理。基于该工作原理研制了金属棒料气动式旋弯下料试验装置,利用材料力学强度理论与线弹性断裂力学理论,建立了弯矩载荷作用下金属棒料下料过程的力学模型,获得了环状“V”型槽根部微裂纹萌生载荷、扩展裂纹起裂载荷及瞬断载荷的理论计算公式。采用三种不同恒应力强度因子幅水平载荷控制曲线对φ30 mm直径的304不锈钢棒料进行下料试验研究,结合所提出的坯料断面评价方法及其评价指标,对下料所得坯料质量进行了量化评价。结果表明,保持裂尖处于恒应力强度因子幅水平,可以实现金属棒料的可控精密下料,断面质量和下料时间随幅值水平提高而降低,当裂尖处△K=0.7K_c时,坯料最终瞬断区最小。该下料工艺利用断裂力学理论建立旋弯下料机理,可以指导实际下料试验,为后续下料工艺数据库的建立提供理论支撑。     

双频振动载荷下带V形槽铝合金棒料的断裂行为

针对金属棒料低应力分离过程中裂纹萌生扩展速率低的问题,提出一种基于双频振动的加载方法,探究带V形槽7A09铝合金棒料的断裂行为。研究了双频振动对带V形槽金属棒料裂纹萌生扩展的作用机理,通过研发双频激振装置,对带V形槽7A09铝合金棒料进行了实验研究。实验结果表明,相对于单频振动加载方法,双频振动载荷能够大幅缩短带V形槽7A09铝合金棒料的分离时间,有效提高裂纹萌生扩展的速率与稳定性,棒料断面几何精度高。     

新型低应力弯曲下料外力加载模式的研究

针对新型低应力弯曲下料中棒料V型槽尖端形状的特殊性,提出对V型槽尖端起裂和裂纹扩展分别处理,采用应力集中系数计算V型槽尖端起裂所需的初始外力,采用裂纹扩展门槛值计算V型槽尖端裂纹扩展所需的外力。利用曲线拟合方法,耦合出外力与裂纹起裂扩展长度间呈近似1/4凹圆弧递减关系。基于低应力下料特点,设计4种形式的外力控制曲线。下料实验结果表明,所提出的凹圆弧递减外力控制曲线能使下料时间最短、断面质量最好。     

预制棒料V形槽尖端裂纹实验装置的改进

针对现有热应力预制棒料V形槽尖端裂纹实验装置存在棒料V形槽处被保护程度差、棒料表面冷却不均、棒料送入冷却装置困难以及试验参数不可调等不足,详细分析了热应力预制裂纹的内在机理。在此基础上,提出基于推拉式多槽双侧板组合结构的冷却装置。将侧板做成推拉式多槽的可活动部件,节省棒料送入时间,并能提高V形槽的被密封度,这为高效高质量精密下料打下了基础。     

热应力预制裂纹技术在低应力精密下料中的实验研究

针对棒料的精密下料问题,给出了一种热应力预制裂纹的新的下料方法,简述了热应力变频振动下料系统的组成。建立了新的激振频率控制曲线和专门针对这种下料所获断面质量的评价方法。20号钢棒料的下料实验结果表明,通过采用热应力预制棒料V型槽尖端区域微小裂纹的方法,下料时间减少了20%左右,且仍可获得高质量的断面平整度。     

反旋转弯曲载荷下V型切口棒料的疲劳寿命估算方法

针对应力下料的实际要求,介绍反旋转拉弯复合应力加载模型。提出带缺口棒料的疲劳寿命由始裂寿命和裂纹扩展寿命两部分组成的思想。在考虑V型切口棒料几何参数及材料拉伸性能影响基础上,给出裂纹起始寿命估算公式。通过分析裂纹扩展过程中应力比的变化规律,提出当量应力比概念,结合Walker公式得到反旋转弯曲载荷下带缺口棒料疲劳寿命估算公式。结合具体案例计算棒料疲劳寿命,与已有的反旋转应力下料方式实验结果对比,表明该估算公式预测结果精度高,具有较好的应用价值。     

不同应力比下U75V轨道钢疲劳裂纹扩展行为研究

对高速铁路常用轨道钢U75V进行了不同应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值测试和疲劳裂纹扩展试验。试验结果表明,应力比对U75V轨道钢的裂纹扩展行为有着显著影响。利用分级降载法测得的疲劳裂纹扩展门槛值随应力比的增大而减小,裂纹扩展速率随应力比的增大而增大。对裂纹断口微观形貌进行了细致观察分析,发现整个疲劳断口分布有凸条纹棱线。疲劳门槛值附近出现沿晶体学平面的穿晶小刻面;低扩展速率区凸条纹棱线平行排列,棱线方向与珠光体片层方向一致;高扩展速率区的棱线出现弯曲及碎裂,同时伴有解理断面及二次裂纹。     

共振诱导V形槽尖端萌生裂纹机构的研究

在低应力精密下料中,提出采用共振效应诱导棒料V形槽尖端萌生微裂纹的方法,并设计了相应的激振系统.利用Solidworks和ANSYS软件,简化了该激振系统的三维造型,并对其进行了模态分析.结果表明,调整振动电动机的偏心块质量,能够有效实现激振系统的整体性能,这为高效高质量精密下料打下了基础.     

304不锈钢棒料连续旋弯低应力精密下料断裂预测

低应力下料近净成形方法是制造轴类零部件毛坯的新工艺,具有能耗低、下料效率高及坯料断面精度高等特性,然而其下料机理一直不清晰,难以获取理想的下料工艺参数,因此基于累计损伤理论提出断裂强度因子预测断裂模型进行研究。以304不锈钢为研究对象,将断裂强度因子耦合到连续旋弯低应力下料有限元模型进行断裂预测。通过连续旋弯低应力下料试验,依托断面平整度及下料时间的下料综合评价方法,验证基于断裂强度因子的连续旋弯低应力下料断裂预测数值模拟的正确性。结果表明：基于断裂强度因子断裂预测模型模拟得到的断裂位置位于环状“V”型缺口根部,与下料分离结果保持一致;断面平整度与下料时间随着加载位置提升而降低,当加载位置为L₁=5 mm,L₂=10 mm能够实现棒料高效精密下料。该下料方法利用断裂强度因子预测断裂模型建立了连续旋弯低应力下料断裂机理,为实现低应力下料工业化奠定理论基础。     

循环载荷作用下X70管线钢在近中性溶液中应力腐蚀裂纹的扩展行为

研究了在循环载荷作用下V形和线形缺口X70管线钢试样在近中性溶液中的应力腐蚀裂纹的扩展行为.结果表明:线形缺口比V形缺口更容易使裂纹扩展,其原因是线形缺口试样的应力集中系数大于V形缺口试样的,且裂纹扩展速度随应力比的降低而增加;在裂纹扩展初期,环境是主要的影响因素,随着裂纹扩展的不断进行,力学作用逐渐增强,当应力强度因子幅△K达到某一值时,裂纹由稳定扩展转变为不稳定的快速扩展.     

低周疲劳下45钢的寿命预测

选取带有V型缺口45钢试样,通过控制加载过程中的应变幅,研究缺口对试样疲劳寿命的影响.并应用低周疲劳寿命预测理论,提出了修正的Manson寿命预测模型,用来预测带有V型缺口中45钢的低周疲劳寿命.模型的预测结果和试验结果吻合很好.     

Research of effects of bar geometric parameters on initial external force in precision cropping

In precise cropping of the metal bars with different geometrical parameters, it is very important to obtain the reasonable initial external forces required by the bars rapidly and accurately. Stress concentration factor and stress intensity factor are proposed to calculate the initial external force accurately in this paper according to geometrical sizes of metal bars. By means of numerical simulation and linear fitting method, the correctional expressions of stress concentration factor and stress intensity factor of V-shaped notch tip, which include the geometric parameters of the bar, are obtained respectively and the error analyses are also performed. The ratio of the depth of V-shaped notch to the diameter of the bar is presented to be a condition parameter. The numerical analytical results show that the method of stress concentration factor can be used to calculate the initial external force accurately when the ratio of the depth of V-shaped notch to the diameter of the bar is more than 0.05, and the method of the stress intensity factor can be used when the ratio is less than 0.05. The calculating formulas of reasonable initial external forces for the bars with different geometrical parameters are also given. The cropping experimental results have confirmed that it is feasible that the reasonable initial external forces required by the bars with different geometrical parameters are calculated effectively by using the stress concentration factor or the stress intensity factor in precision cropping.     

Research of stress intensity factor of V-shaped notch tip in precision cropping

For carrying out the precise cropping of metal bar with different geometrical sizes, it is very important to obtain the reasonable stress intensity factor of V-shaped notch tip rapidly and accurately. At first, a new precise cropping method, which is the high-speed peripheral low-stress bending fracture cropping is presented in the paper, and its working mechanism is also given in detail. The stress field near V-shaped notch tip is analyzed, and the stress extrapolation method is presented to compute the stress intensity factor of V-shaped notch tip. Based on it, the correctional expression of theoretical stress intensity factor in a handbook of stress intensity factor is also given. The contrasts between stress intensity factor results obtained by means of the stress extrapolation method and the corresponding theoretical results in the handbook of stress intensity factor are also carried out in detail. The results show that the two errors are not more than 5 % and are within a reasonable engineering range. The cropping experimental results for initial loading force and crack propagation life have also confirmed that the correctional expression of theoretical stress intensity factor is feasible.     

新型热轧纳米析出强化超高强汽车板的疲劳性能研究

利用MTS-810疲劳试验系统进行高周疲劳试验,研究新型热轧Nb-Ti微合金化抗拉强度700 MPa级车厢板和780 MPa级大梁的疲劳性能,探讨晶粒尺寸、第二相(析出物、夹杂物)等对疲劳性能的影响机理。结果表明,在载荷比R= –1和循环基数为107条件下,700 MPa级车厢板和780 MPa级大梁钢的条件疲劳强度分别为438 MPa和443 MPa,疲劳强度比分别为0.61和0.57,明显高于一般钢材;试验钢的疲劳裂纹源包含驻留滑移带(Persistent slip bands, PSB)和大尺寸析出物或夹杂物;析出物尺寸越细小,发生裂纹失稳扩展所需要的临界断裂应力越高,不易形成疲劳裂纹源;第二相尺寸相当的前提下,带尖角的方形第二相较圆形或椭圆形第二相更易在交变载荷过程中发生应力集中,形成疲劳裂纹源;晶粒的超细化、析出物的纳米化、颗粒状或短棒状碳化物、低夹杂物水平是新型超高强汽车板具有优良抗疲劳性能的主要原因。     

Prediction of fatigue regimes in notched components

Fatigue crack growth from notches is described as a two-stage process. Cracks are assumed to initiate in, and their early growth controlled by, the plastic zone due to the notch. Later growth is controlled by the developing crack tip plastic zone which can be described by the elastic stress intensity factor. A simple model is proposed which qualitatively accounts for all observed notch phenomena including non-propagating cracks and size effects. The equation: is shown to quantitatively predict the experimental fatigue failure limit of sharply notched specimens.     

带有微动磨损缺口钢丝的疲劳特性

在自制的微动磨损试验机上进行钢丝的微动磨损试验,将微动磨损后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行不同应力比和不同应力幅下的疲劳试验。结果表明,钢丝的微动磨损深度随微动时间和接触载荷的增加而增加,磨损缺口处的应力集中使其成为了裂纹萌生源,也使钢丝试样的疲劳寿命大大降低,微动磨损后钢丝试样的疲劳寿命和磨损深度呈反比关系。通过钢丝疲劳断口的SEM形貌分析了其疲劳断裂机制,断口对应不同的疲劳阶段,可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区。     

基于CT扫描的2A12铝合金疲劳裂纹三维重建方法研究

对中心处含圆形缺口的2A12铝合金圆柱形试样进行复杂应力状态下的低周疲劳试验,总结出材料裂纹萌生及扩展机制。试验结果表明,复杂应力条件下2A12铝合金材料只有在疲劳循环较大时,由于第二相粒子与基体脱粘形成疲劳短裂纹。裂纹扩展过程中,沿着晶粒某一滑移系统滑动并且形成锯齿形状的晶体学裂纹路径。为了获得准确的裂纹三维形态及尺寸信息,采用计算机断层扫描(Computed tomography, CT)技术对试验件进行扫描,并对其断层图像进行对比度增强、离群滤噪等图像处理。从图像处理效果来看,离群滤噪方法对于试件结构较为简单,而内部裂纹信息分布相对连续的断层图像处理效果较为理想,且可通过调整其滤噪半径来获得更为清晰的裂纹图像。采用Matlab软件对处理后的断层图像进行三维重建,获得了裂纹的三维可视化图像及其尺寸信息,与裂纹实际情况吻合良好。