航空2024铝合金VIC-3D静载分析和疲劳试验

通过VIC-3D技术测量静态拉伸全场二维应变及应力,基于航空载荷谱进行动态载荷疲劳试验,利用扫描电子显微镜对试件断口进行观察,研究航空2024铝合金的力学性能。结果表明,利用Y方向应变随时间变化云图,可以探究裂纹出现及发展规律,疲劳试样在第34周循环,总第169 973次循环后发生疲劳断裂。疲劳断口可观察到疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬时断裂区,并呈扇形向外扩展。疲劳裂纹萌生于试件表面,裂纹扩展区二次长裂纹方向和裂纹扩展方向垂直,并存在疲劳辉纹,瞬时断裂区呈现出塑性断裂韧窝状形貌,局部存在冲击面形貌。     

航空2024铝合金VIC-3D静载分析和疲劳试验VIC-3D Static Analysis and Fatigue Test of 2024 Aluminum Alloy 陈亚军 黄彦 薛程丹 洪建国

为系统研究航空2024铝合金的力学性能,首先通过VIC-3D技术测量静态拉伸全场二维应变及应力,其次基于航空载荷谱进行动态载荷疲劳试验。VIC-3D结果表明,利用Y方向应变随时间变化云图,可以探究裂缝出现及发展规律;采用运输类飞机下翼面标准载荷谱TWIST,疲劳试样在第34周循环,总第169973次循环后发生疲劳断裂。利用扫描电子显微镜对试件断口进行观察,疲劳断口可观察到疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬时断裂区,并呈扇形向外扩展。疲劳裂纹萌生于试件表面;裂纹扩展区二次长裂纹方向和裂纹扩展方向垂直,并存在疲劳辉纹;瞬时断裂区呈现出塑性断裂韧窝状形貌,局部存在冲击面形貌。     

Q690钢焊接接头微观组织对冷裂纹的影响研究

分析了Q690钢手工电弧焊与气体保护焊焊接冷裂纹产生与微观组织的联系。结果表明: 焊接冷裂纹起源于斜Y坡口根部, 沿熔合区、焊缝扩展至焊缝表面;2种工艺焊接的接头组织硬度均较母材高, 而塑性较差。热影响区为马氏体、贝氏体与铁素体混合组织, 焊缝组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、贝氏体和针状铁素体等组成, 针状铁素体抗裂纹扩展能力较其他组织强。在2种焊接方法对应断口中观察到了冷裂纹起裂、扩展与断裂区的不同形貌, 起裂与扩展区存在塑性变形, 而断裂区为解理断裂。     

裂纹顶端的扩展准则

在过去几十年里，断裂力学处理纯I型或Ⅱ型或Ⅲ型裂纹问题取得了巨大的成功。然而由于裂纹的方位不对称、荷载分布不对称等原凶，存工程结构分析中经常遇到的是复合形式。凶此，对复合型裂纹研究具有更为重要的理论意义和实用价值。预测和模拟复合型裂纹扩展行为时，必须确定一个描述裂纹扩展方向角及裂纹扩展的临界条件的有效的裂纹扩展准则，结合理论分析和实验观察，人们建立了几种复合型扩展准则，如最大周向正应力准则、能量释放准则、应变能密度准则、等应变能密度线上最大周向正应力准则和塑性区最小半径准则等。从裂纹扩展时能量的守恒和转换中知道，裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素，裂纹扩展所用的塑性功与材料的断裂韧性有密切的关系。已经知道，平面应变的塑性区远比平面应力条件下的塑性区要小，因而平面应变远较平面应力容易发生脆断。应变能密度表征着材料构件受力变形过程中贮存的能量。塑性区内及其方向的应变能在一定程度上反映了材料的抗断裂能力。基于这种情况和想法并结合屈服条件进行研究，本文在应用断裂理论和塑性力学理论对裂纹顶端分析的基础上，提出了塑性区内方向应变能裂纹的概念，并建立了基于此概念的裂纹扩展准则。     

钛铝合金原位拉伸损伤与断裂过程研究

通过原位拉伸及卸载试验,和试样断口与表面的SEM分析,对钛铝合金原位拉伸断裂过程、断裂起始点及断裂扩展情况进行了研究。结果发现该材料断口上呈现沿层断裂和穿层断裂的混合形态,并在裂纹前端取向不利的层团附近出现大量微裂纹损伤。发现其断裂过程为：随着外加载荷的增加,试样首先在晶粒沿层薄弱区开裂,继续加载会在主裂纹前端附近产生一些微裂纹损伤,接着裂纹将穿层断裂,同时积蓄的能量得到部分的释放,直至试样的整体断裂。     

预腐蚀7050-T7651铝合金裂纹扩展行为

开展不同预腐蚀时间下含单边裂纹7050-T7651铝合金单轴拉伸实验;利用数字图像相关观测试件在加载过程中的表面变形场信息,描述裂纹扩展的时空演化特征;通过扫描电镜观测试件断口显微形貌,分析其断裂特征。结合加载曲线,变形场演化和断口分析讨论腐蚀损伤对铝合金材料裂纹扩展的影响。实验结果表明：腐蚀损伤达到一定程度会导致铝合金试件承载能力的下降;腐蚀损伤较轻时(腐蚀4小时),腐蚀损伤能够引发裂纹偏折,改变裂纹扩展路径;腐蚀损伤进一步加剧(腐蚀6小时),腐蚀损伤会引起次裂纹萌生,裂纹联合、扩展导致了试件的最终失效。断口分析表明裂纹扩展的关键区域均存在腐蚀和材料脆化特征,证实腐蚀损伤对材料断裂路径和失效模式的重要影响。     

低温对铝合金在SSRT过程中裂纹萌生与扩展规律的研究

本文采用一种电化学阻抗谱的解析方法原位研究低温对7A04铝合金在慢应变速率拉伸过程（SSRT）中裂纹萌生与扩展规律的影响,采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观察,并通过KramersKronig转换验证电化学阻抗谱实验数据的可靠性。结果表明：裂纹的萌生和扩展过程大致可分为氧化膜溶解、裂纹萌生、动态平衡、裂纹明显扩展四个阶段;温度的降低会改变断裂方式,表现为从混合断裂向脆性穿晶断裂发展;由常温向低温的变化可以有效抑制铝合金在SSRT过程中的裂纹萌生和扩展,具体表现为温度越低对裂纹萌生和扩展的抑制效果越不明显,其中-5℃时抑制效果最强。     

API应力减轻结构配合接头在钻井中的使用

在螺纹上发现没有加工API应力减轻槽,断口距离转换接头母扣端面以下90~113mm(接头有效长度970mm),断口3/5端面均有明显冲蚀刺痕,瞬断区约占端面总面积的2/5,剪切唇起高25mm,长50mm;宏观断口判断为高周疲劳引起应力累积形成裂纹源后转化接头刺穿失效断口。     

低温对铝合金在SSRT过程中裂纹萌生与扩展规律的影响

采用一种电化学阻抗谱(EIS)的解析方法,原位研究低温对7A04铝合金在慢应变速率拉伸过程(SSRT)中裂纹萌生与扩展规律的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌,并通过Kramers-Kronig转换验证EIS实验数据的可靠性。结果表明,裂纹的萌生和扩展过程大致可分为氧化膜溶解、裂纹萌生、动态平衡、裂纹明显扩展四个阶段;温度的降低会改变断裂方式,表现为从混合断裂向脆性穿晶断裂发展;由常温向低温的变化可以有效抑制铝合金在SSRT过程中的裂纹萌生和扩展,具体表现为温度越低对裂纹萌生和扩展的抑制效果越不明显,其中-5℃时抑制效果最强。     

应力比对热等静压Ti-6Al-4V钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

采用标准C(T)试样测定热等静压Ti-6Al-4V钛合金在应力比R=0.1、0.4和0.7的条件下疲劳裂纹扩展速率,获得相应条件下的疲劳裂纹扩展数据,绘制了对应的裂纹扩展速率与应力场强度因子(da/dN-ΔK)关系曲线,并结合疲劳裂纹扩展路径和断口形貌分析探究应力比R对热等静压Ti-6Al-4V钛合金裂纹扩展速率的影响。结果表明,随着应力比R的增大,裂纹扩展门槛值ΔKtn减小。相同ΔK下,裂纹扩展速率da/dN随应力比R一同增大,致使da/dN-ΔK关系曲线向左上移动;裂纹能够穿过等轴晶α相和纤薄的α片层结构呈直线型扩展,遇到较厚的α片层结构时,裂纹偏转并沿原始α片层方向继续扩展,最终发生断裂;断口由预裂区、稳态扩展区和快速断裂区构成,分别对应于疲劳裂纹扩展的三个阶段。     

岩体裂纹扩展断裂理论与试验研究进展

岩体裂纹扩展与断裂一直以来是岩石力学与工程领域研究的热点,从理论和试验两个方面梳理了有关岩体裂纹扩展与贯通的研究成果.在理论研究方面,经历了从单裂纹到多裂纹、从单轴应力到三轴应力作用的研究深度与过程,国内外研究学者基于弹性理论、塑性理论、损伤理论等在裂纹岩体扩展、贯通、相互作用等方面取得了长足进步;在试验研究方面,通过单轴、双轴、三轴压缩试验与剪切试验等研究方法,进行了裂纹岩体扩展等方面研究.但理论与试验研究多集中于均质、表面裂纹缺陷岩体研究及理论与试验研究本身存在的缺陷,对复杂因素交互作用下的岩土工程问题分析较为困难.理论研究是岩体裂隙扩展断裂的基础,试验研究是对理论研究结果的检验和佐证,非均质岩体在三轴应力作用下、多因素交互作用下,内部裂纹的扩展、贯通特征与理论研究是今后研究的一个重要发展方向.     

微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究

硬岩裂隙的形成和扩展规律是研究岩石损伤机理的重要内容。为了探究微波照射下,岩石裂隙的扩展规律,为微波辅助破岩技术提供理论依据,利用扫描电镜(SEM)设备对花岗岩试件在微波照射及单轴抗压强度测试后进行扫描观测,分析岩石断口的形貌、裂纹的类型及断裂模型。结果表明：高功率微波照射后,试件表面出现颜色变化,并伴随有张拉裂纹出现,在压缩试验后,试件上部结构呈粉末状破碎|SEM设备观测下花岗岩断口形貌特征主要为平坦面状和条纹状断裂|花岗岩的裂纹类型主要为张拉裂纹和压剪裂纹|花岗岩的断裂模型主要为沿晶断裂、穿晶断裂以及两者叠加。     

微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究

硬岩裂隙的形成和扩展规律是研究岩石损伤机理的重要内容。为了探究微波照射下，岩石裂隙的扩展规律，为微波辅助破岩技术提供理论依据，利用扫描电镜(SEM)设备对花岗岩试件在微波照射及单轴抗压强度测试后进行扫描观测，分析岩石断口的形貌、裂纹的类型及断裂模型。结果表明：高功率微波照射后，试件表面出现颜色变化，并伴随有张拉裂纹出现，在压缩试验后，试件上部结构呈粉末状破碎|SEM设备观测下花岗岩断口形貌特征主要为平坦面状和条纹状断裂|花岗岩的裂纹类型主要为张拉裂纹和压剪裂纹|花岗岩的断裂模型主要为沿晶断裂、穿晶断裂以及两者叠加。     

304不锈钢波纹补偿器失效分析

利用金相显微镜、扫描电镜和显微硬度计等,对某304不锈钢波纹补偿器的断口进行了观察和测试分析.结果表明:304不锈钢的奥氏体晶粒内有许多变形的滑移线,且在奥氏体晶界上有碳化物沉淀析出;补偿器的断口呈冰糖状花样特征,断口面处存在较深的沿晶界的二次裂纹,断裂性质为沿晶脆性断裂;此晶界弱化的不锈钢在工作时,受工作应力作用萌生微裂纹,微裂纹扩展导致波纹管断裂.     

不同瓦斯压力下煤岩三点弯曲断裂特性研究

为探求含瓦斯煤I型裂纹断裂韧度及断裂过程裂纹扩展特性,以原煤制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样为研究对象,利用自行研制的带视窗的含瓦斯煤岩试验装置,开展了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤I型裂纹断裂特性研究。研究结果表明：在瓦斯赋存状态下,随瓦斯压力的增大,I型断裂韧度及断裂能耗呈逐渐降低的趋势;含瓦斯煤试样扰度逐渐增大,试样在破坏前塑性形变逐渐明显;裂纹初始扩展速度显著增加（瓦斯压力由0增加至1.5 MPa时,其初始扩展速度由78 m/s提高至239 m/s）,且随裂纹长度的增加,扩展速度明显降低;通过数字散斑方法,清晰的描述试样表面变形及裂纹扩展过程,并得到裂纹扩展前的损伤区域。     

裂纹延伸扩展过程中的受力状态分析

对含45°预制裂纹的花岗岩板进行单轴压缩实验,采用电阻应变计监测裂纹延伸扩展过程中的受力状态。结果表明:翼形裂纹是单纯受到拉伸应力作用产生的,而二次裂纹是受到剪切作用产生的,表现为拉压应力交替作用,但在二次裂纹扩展的不同阶段,所受到的主要应力不同,在二次裂纹刚开始扩展时压应力是主要应力,随着二次裂纹的延伸扩展,拉应力成为了主要应力;引起二次裂纹扩展的剪切应力区域比引起翼形裂纹扩展的拉伸应力区域宽泛得多;受挤压作用产生的裂纹,实质上是由受压引起的剪切型张拉应力迫使其开裂的。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

TA1纯钛点焊接头的疲劳性能分析

针对1.5 mm厚的TA1纯钛板电阻点焊接头,开展疲劳实验研究。利用超声波扫描显微镜对纯钛板点焊接头进行扫描,获得接头的C扫描图像;对接头进行拉剪实验,获得接头失效载荷;研究纯钛板点焊接头的疲劳性能,建立载荷-寿命曲线,对疲劳断口进行电镜扫描,分析疲劳裂纹扩展形式。结果表明,随着焊接电流增大,超声C扫描图像所测得的焊核直径均值随之增大,且C扫描图像可表征飞溅等焊接缺陷。载荷水平为10%、13%、30%对应的疲劳寿命平均值分别为1 753 302、261 193、8 263次。接头主要的疲劳失效模式为母材"眉状"断裂失效,裂纹源位于两板内侧焊核与母材交界的热影响区,在疲劳裂纹的稳定扩展区存在明显的塑性疲劳条带。     

裂纹长度对提升机主轴断裂参量的影响分析

针对最危险的一种工况,模拟计算了提升机主轴高应力区半椭圆形表面裂纹附近的应力应变场,分析了不同裂纹长度时主轴各断裂参量的变化规律。研究结果表明,裂纹中心点处的应力和J积分比较小,而应变比较大。裂纹扩展最快的部位并不是裂纹最深处。在相同载荷条件下,裂纹越长,裂纹扩展驱动力越大,裂纹越容易扩展。     

立井钻机中心管的断裂分析

建立了立井钻机中心管含有表面裂纹的力学模型 ;分析了立井钻机中心管含有表面裂纹的断裂状况 ;探讨了在亚临界扩展阶段疲劳断裂的发展趋势 ;导出了中心管断裂时的断裂条件及裂纹扩展时极限尺寸的计算公式