多轴载荷下AI-Mg-Si合金的循环特性及其机理

目的研究Al-Mg-Si合金在多轴比例和非比例载荷下的疲劳循环特性及其微观机理，为疲劳寿命估算公式的建立提供理论依据．方法宏观力学实验分析循环特性．结合透射电子显微镜分析不同加载路径下和不同的等效应力幅下的疲劳材料的位错结构特征．结果相同加载路径下，随着等效应力幅的提高，疲劳寿命降低，材料的循环硬化越来越显著，位错结构由不明显的交叉滑移过渡到明显的“迷宫”状特征．结论Al-Mg-Si合金的循环特性对加载路径和等效应力幅有强烈的依赖性，硬化越显著疲劳寿命越低．     

氢对位错运动的影响

金属材料氢脆的根本原因是氢对位错运动、分布和结构的影响,本文利用透射电镜观察了渗氢与未渗氢试样中的形变亚结构,结果表明氢促进了位错的平面滑移,阻碍了交滑移,从而加剧位错塞积,导致位错分布和塑性变形的不均匀性,文中提出了几种形变亚结构特征的形成机制,并进一步讨论了氢影响位错运动的物理原因。     

不同循环加载条件下镁合金AZ21腐蚀疲劳行为

镁合金作为结构件承受多轴复杂载荷,其失效形式多为多轴疲劳失效。为澄清复杂载荷下镁合金的腐蚀疲劳行为,本文在磷酸盐缓冲溶液(phosphate buffered solution,PBS)中对镁合金AZ21的多轴循环疲劳行为进行了研究,通过分析镁合金应力应变滞环及峰值应变的演化规律,揭示了不同加载路径和腐蚀环境耦合作用下材料的变形主导机制。腐蚀环境中的疲劳试验结果表明,在相同等效应力幅下,非比例加载路径下镁合金AZ21在PBS腐蚀环境中的寿命较单轴拉伸、纯扭路径显著降低。采用Basquin公式预测了镁合金AZ21在复杂载荷和PBS腐蚀环境耦合作用下的疲劳寿命。通过将路径非比例度的概念引入对Basquin公式进行修正,可合理预测相同加载幅值下圆形路径和菱形路径作用时镁合金AZ21在PBS腐蚀环境中的疲劳寿命。     

一种与路径相关的多轴低周疲劳寿命预测方法

已有研究指出,与比例加载相比,非比例加载下某些金属材料虽然没有明显的附加强化现象,但疲劳寿命却明显缩短.利用附加强化系数和非比例度因子修正的等效应变法,无法反映此类材料非比例加载下的寿命缩短现象,导致预测寿命通常偏于危险.为更好地预测不存在明显附加强化现象材料的多轴非比例疲劳寿命,引入寿命缩减因子的概念,并结合非比例度因子对ASME等效应变范围进行了修正,提出一种新的多轴低周疲劳寿命预测方法.为了便于应用,明确了寿命缩减因子的确定方法.针对不同加载路径,发展了一种基于最小法向应变范围的非比例度因子计算方法,并给出了多轴加载一般情形下最小法向应变范围的计算步骤.利用304不锈钢12种非比例加载路径下的试验数据验证了所提非比例度因子计算方法的精度,并与已有方法进行了对比分析,发现所提方法可以更好的描述加载路径的非比例程度.利用10种材料(包括7种不存在明显非比例附加强化现象的材料)的试验数据对所建疲劳寿命预测模型进行了验证,结果表明预测结果与试验结果吻合较好.     

海洋大气环境下7475铝合金的疲劳寿命及断裂机理

为了研究海洋大气腐蚀条件下7475铝合金疲劳寿命及疲劳断裂机理.对不同表面处理的7475铝合金试样在海南暴晒1年,测定对比试样和经1年暴晒试样的疲劳寿命.对疲劳断口形貌进行扫描电子显微镜观察,分析了海洋大气腐蚀对7475铝合金疲劳寿命的影响程度及疲劳断裂机理.试验结果表明:7475铝合金经海南海洋大气环境暴晒1年后,其疲劳寿命下降了一个数量级,表面涂漆试样寿命高于不涂漆试样的寿命,不涂漆的7475铝合金表面出现明显的点蚀,降低疲劳寿命;7475铝合金经硼硫酸阳极化后涂漆,一定程度上可防止其在海洋大气环境中的腐蚀.     

基于损伤累积理论的多轴疲劳寿命预测方法

为估算工程构件的疲劳寿命,建立一种基于损伤累积理论的多轴疲劳寿命预测方法.利用有限元法和疲劳损伤累积理论对6种损伤参量进行修正,计算得到在单轴、双轴比例、双轴非比例、三轴比例和三轴非比例循环载荷作用下疲劳损伤累积规律,建立一种幂指数形式的损伤演化方程,估算疲劳寿命,并与试验结果进行比较.计算结果表明:单轴疲劳载荷作用时,损伤累积规律是线性的;多轴疲劳载荷作用时,损伤累积规律是非线性的;由这种方法预测的双轴比例、非比例加载的疲劳寿命与试验值吻合得很好.得到一种可解决三轴非比例加载疲劳问题的寿命预测方法,这种方法所需由试验确定的常数少.     

镍基高温合金GH536在室温下的锯齿流变行为

对镍基高温合金GH536进行了室温拉伸试验(加载速率分别为0.06 mm/min,0.6 mm/min,3.6 mm/min和36 mm/min),研究其在室温拉伸变形过程中的锯齿流变行为.结果表明:合金在低于3.6 mm/min的加载速率下,由于合金中原始退火孪晶界对位错滑移的阻碍作用,在其应力-应变曲线上出现了以B型锯齿为主的A型、B型两种锯齿,且在拉伸变形后合金内原始退火孪晶界出现了不同程度的变形;当加载速率为36 mm/min时,由于位错滑移速度加快,孪晶界与快速移动的位错相遇后发生分解,孪晶界几乎消失,锯齿效应变得不明显;此外,在不同加载速率和应变下,合金应力-应变曲线上锯齿的振幅大小不同,这主要与移动和固定位错的密度相关.     

考虑附加强化效应的多轴稳态循环塑性本构模型

已有试验结果表明,非比例循环加载下应变主轴连续旋转,导致多滑移系开动,阻碍材料内部形成稳定的位错结构,使非比例加载下的应力-应变曲线高于比例加载下的应力-应变曲线,从而产生非比例附加强化现象.由此,从应力空间表述的塑性增量本构模型一般形式出发,建立一个能够反映非比例附加强化效应的稳态循环塑性本构模型.在Armstrong-Frederick模型背应力演化方程的基础上,新模型通过引入非比例度因子和附加强化系数,构建了一个新的背应力演化方程.然后,通过一致性条件建立塑性模量方程与背应力之间的关系.同时,利用最小法向应变范围,提出一种计算非比例度因子的新方法,并针对一般的多轴加载情形,明确最小法向应变范围的计算步骤.新模型从加载路径和材料本身两个方面来考虑非比例附加强化效应的影响,克服Armstrong-Frederick模型中材料常数确定方法繁琐,且通过单轴疲劳试验数据确定的材料常数不能很好地反映材料非比例附加强化现象的不足.应用新模型时,仅仅需要3个独立的常规力学参量和2个疲劳参数,便于工程应用.利用多种多轴加载路径下S460N钢和304不锈钢的试验结果对模型进行验证,预测结果与试验结果吻合良好.     

锻造操作机钳臂结构的多轴疲劳分析

为了解决重载锻造操作机钳臂结构经常发生疲劳破坏的问题,应用有限元疲劳分析方法进行了研究.本文依据锻造操作机承受的最大载荷发生在锻造过程的实际,首先模拟了棒材加工中的主要锻压工序拔长并得到钳臂疲劳分析所需的载荷谱,然后对操作机钳臂结构进行了多轴评估和有限元疲劳分析.结果表明最危险拔长工况为矩形截面锻件且锻压位置最靠近操作机的工况,钳臂承受的是多轴比例加载状态;结构固有缺陷对疲劳寿命有很大影响.     

Review: Energy Methods for Multiaxial Fatigue Life Prediction

综述:多轴疲劳寿命预测中的能量法

仲政¹，芦迎亚²

（1.哈尔滨工业大学(深圳) 理学院，广东 深圳518055；2.联合汽车电子有限公司，上海201206）

摘要：材料和结构的疲劳断裂是工程应用中最常见的失效模式之一。多轴非比例加载下，大量材料表现出非比例强化效应，疲劳寿命大大减少。本文综述了多轴疲劳寿命预测中的能量方法，能量方法被分为三类：不考虑路径效应的能量方法、与临界面法相结合的能量方法、考虑路径效应的能量方法。在三类方法中，本文着重介绍了考虑路径效应的能量方法，因为该方法能够反映多轴疲劳问题中的非比例强化效应。

关键词：多轴疲劳，寿命预测，塑性功，非比例因子

     

AS41压铸镁合金的低周疲劳行为

为了探索AS41压铸镁合金在室温下的低周疲劳变形与断裂行为,分别对压铸态和固溶处理态的AS41镁合金进行了应变控制疲劳实验,并利用S 3400N型扫描电子显微镜对合金的低周疲劳断口形貌进行了观察与分析.结果表明,在低周疲劳加载条件下,合金均表现为循环应变硬化;合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间分别服从Coffin Manson和Basquin公式;AS41压铸镁合金经固溶处理后的组织比压铸态更均匀,强化相分布更弥散,在相同的外加总应变幅下表现出更高的疲劳寿命.断口形貌观察结果揭示,对于两种加工状态的AS41镁合金,疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于试样表面并以穿晶方式扩展.     

高温多轴载荷下低周疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢进行550℃下多轴低周疲劳试验,定义主应变比用以考虑不同的比例程度对多轴疲劳寿命的影响.针对各路径和各幅值下的循环软化特性进行分析,对比结果表明：路径对循环软化特性的影响大于应变幅值对循环软化特性的影响,其软化程度随扭转载荷所占比例增加而增加.采用最大正应变方法、最大剪应变方法和von Mises等效应变法进行疲劳寿命预测,结果表明：最大正应变方法针对扭转路径得到的预测结果偏于安全;最大剪应变方法预测扭转路径较好,但对于单轴路径给出的预测结果过于不安全;等效应变法得到的预测结果偏于保守.     

Friction Wearing Properties Research of High-silicon Aluminium Alloy Cylinder Sleeve

With tank special purpose lubricating oil, 100N, 200N and 800N loading force and different loading times, spray-formed high-silicon aluminium alloy and military superpower engine steel cylinder sleeve materials were used for comparative friction test and friction pair comparision test under simulated engine work condition. The results showed that, compared with steel cylinder sleeve materials, high-silicon aluminium alloy showed more excellent wearing resistance. The friction mechanism analysis of high-silicon aluminium alloy indicated that high-hardness particles in soft parent metal had determinative function, including wearing resistance and supporting ability when wearing happened. Dents on soft parent metal surface produced by friction could store oil and were helpful for lubrication. The friction trace analysis showed that, high-hardness particles in high-silicon aluminium alloy could produce friction trace on 42MnCr52 steel surface, which proved friction function of high-hardness particles in high-silicon aluminium alloy.     

一种新的多轴低周疲劳损伤参量

利用轴向和周向应变幅的最大值合成一个新的等效应变幅作为多轴疲劳损伤参量,考虑不同加载路径导致轴向和周向出现的平均应力的影响,结合Manson-Coffin方程提出了一个新的损伤模型．该模型经高温GH4169合金、45~#钢、Inconel 718钢和高温304不锈钢4种材料的多轴疲劳试验验证表明,寿命误差基本分散在2个因子之内．     

PBL剪力连接件的疲劳试验与分析

为了研究PBL (Perfobond Leiste)这种新型剪力连接件的抗疲劳性能,基于深圳南山大桥剪力连接件的尺寸和要求,设计并制作了6个PBL剪力连接件的推出试件进行疲劳试验.试验在MTS815机器上进行,采用常幅正弦波荷载,加载频率为3 Hz,试验应力比为0.1.通过对试件进行常幅荷载的循环加载,观察试件中钢与混凝土块的相对滑移、连接件的破坏模式、疲劳寿命以及应变的特征等.试验结果表明：主要开裂方向为连接件底部斜向下呈45°,裂缝的宽度同裂缝与竖向的夹角成反比;疲劳荷载作用时,PBL连接件的抗疲劳性能良好,孔径越大试件的疲劳寿命越长;试验从一定程度上说明腹板越厚和疲劳荷载幅值越小,滑移量的增长速度越慢,同时孔径越大和疲劳幅值越小,滑移量的增长速度也越慢.     

热处理对挤压态6061铝合金低周疲劳行为的影响

为了确定固溶处理、时效处理及固溶+时效处理对挤压变形6061铝合金的疲劳变形行为和疲劳寿命的影响规律,针对不同处理状态的挤压变形6061铝合金进行了低周疲劳实验研究.结果表明,低周疲劳加载条件下,不同处理状态的挤压变形6061铝合金均呈现明显的循环应变硬化,且随着外加总应变幅的增加,循环应变硬化效果愈明显;在较高的外加总应变幅下,固溶态6061铝合金的疲劳寿命最长,而时效态6061铝合金的疲劳寿命最短,当外加总应变幅较低时,挤压态6061铝合金的疲劳寿命高于经过热处理的合金的疲劳寿命;此外,固溶处理可明显降低挤压变形6061铝合金的循环应变硬化指数和循环强度系数.     

Incoloy 825镍基合金的低周疲劳行为

为了研究Incoloy 825镍基合金的循环应力响应行为和低周疲劳行为,在室温和760℃下进行外加总应变幅控制下的疲劳实验,确定了合金在不同温度下的应变疲劳参数.利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜分析了合金疲劳变形后的位错亚结构与断口形貌.结果表明,室温下合金呈现先循环硬化后循环软化的特征,而在760℃下合金则呈现先循环硬化后循环软化或循环稳定的特征.在不同温度下合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间均呈现单斜率线性关系,并分别服从Coffin-Manson和Basquin公式.在室温和760℃下合金的低周疲劳变形机制主要为平面滑移,且疲劳裂纹均以穿晶方式萌生和扩展.     

LY—12硬铝合金表面裂纹产生和发展

本文通过实验研究了ＬＹ—１２硬铝合金在单向拉伸疲劳载荷下表面裂纹形状的变化规律，由实验数据处理得到了适用于ＬＹ—１２硬铝合金材料疲劳寿命计算的关系式。研究表明，拉伸疲劳时表面裂纹扩展速率可用Ｐａｒｉｓ公式描述。