退火42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其失效模型

在室温下,对退火42CrMo钢的单轴棘轮行为以及棘轮-疲劳交互作用进行了系统的实验研究。结果表明:非对称应力循环下产生的棘轮变形会缩短材料的疲劳寿命,材料在非对称应力循环下的低周疲劳寿命受到平均应力、应力幅值、最大应力和应力比等多种因素的影响。在对实验结果分析与讨论基础上,针对棘轮-疲劳交互作用,提出了一个基于最大应力和应力比的、简单而合理的疲劳失效寿命估算公式。该模型考虑了棘轮变形对疲劳寿命的影响。与实验结果的对比表明:该公式能较好的估算各种非对称应力循环下的低周疲劳寿命,所有计算结果均在2倍分散带内。     

500MPa级针状铁素体钢的低周疲劳行为

采用光滑圆柱疲劳试样,通过对500MPa级针状铁素体钢进行轴向总应变控制模式的室温低周疲劳实验,研究了实验钢的循环应力-应变行为、应变-寿命特性及循环应力响应。结果表明:当总应变幅为临界应变幅时(Δεt/2=0.35%),循环一开始就进入饱和状态,应力幅值保持不变;当总应变幅低于临界应变幅时(0.2%≤Δεt/2<0.35%),实验钢表现出循环软化特性;当总应变幅高于临界应变幅时(0.35%<Δεt/2≤0.6%),实验钢先表现出循环硬化,达到循环饱和后又表现出循环软化特性。疲劳断口的SEM分析表明,疲劳裂纹通常萌生于试样一侧的表面,具有多源性,且裂纹的扩展符合Laird的塑性钝化机制。     

J. Composite Materials

研究了石墨/环氧复合材料频率和应力水平在疲劳试验中的影响。当以0.01～10Hz的频率测定频率与初始动态弹性模量的关系时,根据以应变为变量的损伤模型公式,以不同频率控制应力和以相同应变不同应力控制频率二者的结果相一致,与实验结果也相吻合。模量低10％将使寿命降一级。也有可能从蠕变应变预测寿命。但是,疲劳与蠕变的组合如果只用加算的方法则得不出结果,这个问题还没有得到解决。     

应力控制下HTPB推进剂的疲劳损伤及寿命研究

为研究HTPB推进剂应力控制下的疲劳特性,在动态热机械分析仪上开展了不同应力幅值的疲劳试验。结果表明,应力幅值增大会使疲劳寿命缩短,应力幅值越大,相同加载次数下的疲劳峰值应变越大,疲劳谷点应变越小,最终断裂应变值基本一样。以疲劳峰值应变作为损伤因子,基于损伤力学理论建立了不同应力幅值下的疲劳损伤演化模型,克服了原有的Chaboche模型不能解释循环应变松弛的缺点,可以很好地表征材料损伤演化规律。     

不同加载频率下FV520B-I的疲劳行为与疲劳寿命

针对高强度钢FV520B-I分别进行了140Hz和20kHz两种加载频率下的疲劳实验。实验数据表明,20kHz加载频率下的疲劳寿命值均高于同应力幅值140Hz加载频率下的疲劳寿命值,而20kHz加载频率下材料的疲劳强度(450MPa)低于140Hz加载频率下的疲劳强度(500 MPa)。试件断口分析表明,加载频率的大幅提高使得疲劳失效由表面粗糙度缺陷引起的表面疲劳失效转变为内部非金属夹杂物引起的内部疲劳失效。基于三参数模型对实验数据进行拟合,建立了FV520B-I在不同加载频率下的疲劳寿命转换模型,提出了FV520B-I的疲劳寿命转换系数S′0,并发现转换系数S′0随着加载应力幅值的增大而增大,即加载频率对疲劳寿命的影响随着应力幅值的增大而增强。研究结果表明,疲劳寿命转换模型可以将超高加载频率下的疲劳寿命转换为传统加载频率下的疲劳寿命,且可以应用于FV520B-I的再制造工程疲劳分析。     

钢丝帘线橡胶复合材料疲劳特性实验研究

对 钢丝帘线橡胶复合材料在拉伸循环载荷下的疲劳特性进行了试验研究,分析了最大应力、加载频率对材料疲劳寿命的影响以及疲劳过程中的滞后损失和温升,根据疲劳寿命图得到了线性寿命预报方程。研究表明,在载荷控制下该材料的疲劳过程呈现明显的三阶段规律,两步等幅加载实验证明这一规律同样适用于有损试件的疲劳过程。     

基于堆焊成形钛合金高周疲劳实验数据的R-S-N模型

针对应力比对疲劳寿命影响的问题,以TC18钛合金堆焊成形(利用多层堆焊的方法制备)试样为研究对象,进行了3种应力比(R=0.5、R=0.06、R=-1)的疲劳实验,得出相应的疲劳极限,应用"应力幅值寿命模型"和"三参数寿命模型"得到6条S-N曲线。根据裂纹扩展速率与疲劳寿命的积分关系,以两种疲劳寿命数学模型为基础,系统地研究了应力比(R)与疲劳寿命曲线(S-N)的关系,提出了考虑应力比的疲劳寿命(R-S-N)数学模型。根据本文提出的修正公式,建立了适用TC18钛合金堆焊成形材料的两种R-S-N数学模型,结果表明:用应力幅值寿命模型可对中等疲劳寿命区进行准确的预测,而三参数寿命模型更适合中长寿命区域的预测。提出的两种R-S-N数学模型与实验值吻合良好,并可在工程上预测任意应力比下的疲劳寿命曲线。     

刚柔复合式路面沥青层温度疲劳损伤及开裂研究

运用损伤力学、传热学、断裂力学理论和有限元法,分析了沥青层的温度疲劳损伤特性、疲劳寿命、裂缝扩展等。研究结果表明:温度疲劳损伤主要集中在沥青层表面,随着温变次数的增加,沥青层表面的损伤度线性增加;随着沥青层模量与温变幅值的增加,沥青层表面的损伤度不断增加;随着温变次数的增加,沥青层表面的水平拉应力线性减小;随温变幅值的增大,沥青层的疲劳寿命不断减小;基于高温效应的沥青层最小临界厚度为4cm;增加沥青层厚度和减小沥青层模量可以起到延缓沥青层温度裂缝扩展的作用。研究结果对刚柔复合式路面的合理设计和推广应用有重大意义。     

[±20°]钢丝帘线橡胶复合材料疲劳特性实验研究

对[±20°]钢丝帘线橡胶复合材料在拉伸循环载荷下的疲劳特性进行了试验研究,分析了最大应力、加载频率对材料疲劳寿命的影响以及疲劳过程中的滞后损失和温升,根据疲劳寿命图得到了线性寿命预报方程.研究表明,在载荷控制下该材料的疲劳过程呈现明显的三阶段规律,两步等幅加载实验证明这一规律同样适用于有损试件的疲劳过程.     

应力幅对退火态Mg-3Al-2Sc合金疲劳行为的影响

在不同应力幅下对退火处理后的Mg-3Al-2Sc合金进行应力控制的疲劳实验,研究应力幅对合金的裂纹扩展行为和断裂机制的影响。结果表明:在12～75MPa应力范围内,当控制应力比为0.2,随着应力幅增加,裂纹扩展速率增加,Mg-3Al-2Sc合金的疲劳断裂寿命降低。在裂纹萌生区合金主要表现为解理断裂机制,进入裂纹稳定扩展阶段的疲劳断裂主要为准解理断裂。而在瞬断区,低应力幅时主要表现为准解理断裂,高应力幅时主要表现为微孔聚合断裂。     

基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究

为了准确地预测橡胶沥青混合料的疲劳寿命（N_f）,分析N_f与劲度模量衰减量（SMD）、劲度模量衰减量相对变化率（SMDR）的相关性,根据累积劲度模量衰减量相对变化率（CSMDR）分别建立了其与疲劳荷载次数的函数关系式和损伤模型,基于SMDR与损伤演化速率的相关性分析建立了疲劳方程。结果表明:应用SMD不能很好地预测N_f,SMDR表征了产生损伤变形的劲度模量衰减量占总衰减量的比例,可用于损伤演化分析和N_f预测;建立的函数关系式和损伤模型能分别准确地刻画CSMDR的变化特征和非线性损伤演化规律;建立的疲劳方程能准确地预测橡胶沥青混合料的N_f。     

不同温度下混凝土抗拉疲劳性能试验研究

进行了不同温度下混凝土在等幅重复荷载作用下的抗拉疲劳性能试验研究,分析了不同温度下砼抗拉疲劳强度、刚度、变形规律,建立了相应的疲劳方程及考虑温度影响的统一疲劳方程,并将常温下的砼疲劳性能试验结果同其他研究者的结果作了比较。给出了纵向总应变、割线模量的经验公式,及其第二阶段总应变增长率、割线模量衰减率分别与疲劳寿命的关系式。研究结果,为高温环境下受重复循环荷载作用的砼结构设计和分析提供了试验依据。     

数字疲劳传感器的设计及应用

为了解决疲劳传感器在结构疲劳监测时模拟信号传输噪声大、热输出大等引起的监测精度不高的问题,研究了一种数字疲劳传感器,此传感器采用片上系统ADuC845完成数据的采集与处理,传感器自带稳压,高精度、低温漂供桥与参考电路。传感器实现温度补偿、非线性修正及数字信号传输。并根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,得到该分布下的疲劳响应计算方法。采用倍增器的双疲劳计结构设计,利用疲劳计响应的非线性特性,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系。     

STATIC AND CYCLIC FRETTING FATIGUE BEHAVIOUR OF SILICON NITRIDE

A cyclic fretting fatigue test machine was constructed. The piezoelectric bimorphs were used as actuators for cyclic loading and fretting motion at the resonance frequency of the system. Fretting fatigue tests under static and cyclic loading conditions were carried out using HIP-sintered silicon nitride. From the experimental results, it was found that fretting fatigue strengths under the two test conditions were identical and hence the effect of cyclic loading on fretting fatigue strength of silicon nitride was almost negligible. A fretting crack initiated in a very early stage of the fatigue life at the position of the maximum frictional stress in the contact area. Fretting fatigue life prediction based on fracture mechanics was also carried out. The predicted lives were in good agreement with the experimental results.     

Specimen aligning techniques in tensile and fatigue tests for thin films

Measurements of the mechanical properties of a thin film are strongly influenced by the test procedures. The aim of this paper is to introduce specimen aligning techniques for tensile and fatigue tests with thin films. The calculated modulus for polycrystalline silicon can vary from 100 to 160 GPa according to the alignment condition and reaches a peak at the best alignment as determined from an extensive pre‐tensile test. The ‘modulus alignment method’ is utilized to ensure the specimen alignment before doing tensile and fatigue tests based on the fact that the better the alignment, the higher the modulus. In addition to that, a closed loop control scheme is applied during a fatigue test to maintain the constant load. An S–N curve for polysilicon film is obtained and compared with the results of other researchers.     

Multi-scale analyses on mechano-electric degradation of film interconnects in flexible electronics

In flexible electronics, the fatigue reliability of film interconnects will directly affect the stability of the entire device. Since the thickness of the film material is usually much smaller than its length and width, the fatigue of film interconnects exhibits significant size effects. To evaluate the reliability of film interconnects, based on the theory of continuum damage mechanics, a multi-scale damage model considering length-scale effect is established. For the convenience of the model application in damage prediction of film interconnects, a multi-scale mechano-electric degradation model is further proposed. Validation with experimental data shows that the model can predict the fatigue life and resistance changes of not pre-stretched films well. For pre-stretched films, the proposed model is also applicable to thicker films without debonding or damage localization. The proposed model is expected to provide a facile approach for fatigue life prediction of flexible electronic devices with coplanar mesh structures.     

在役钢筋混凝土结构基于可靠性的疲劳寿命分析

本文以结构的极限疲劳循环次数作为随机变量,基于可靠性理论提出了在役结构疲劳剩余寿命的预测方法,分析了多种工况下结构在未来服役期内的疲劳可靠性和疲劳剩余寿命。算例表明,通过对在役结构疲劳寿命及可靠性的分析,不仅可以预测在目标可靠度下的疲劳寿命,而且可以根据需要确定合适的交变荷载的频率、服役时间以及相应的疲劳可靠指标,从而为结构的合理利用起指导性作用。     

CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳性能研究

根据线弹性断裂力学理论,采用“三维块体-弹簧-板”有限元模型对裂纹尖端的应力强度因子幅值进行计算,并基于Paris-Erdogan裂纹扩展模型,提出了CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳寿命预测方法。然后对4个CFRP板加固含初始疲劳裂纹钢板的受拉疲劳性能进行了试验研究,考察了碳纤维板加固量、单面和双面加固方式对疲劳性能的影响。试验结果表明,CFRP板加固钢板的疲劳寿命比未加固钢板显著提高,疲劳裂纹扩展的试验结果与预测结果符合较好。     

Fatigue life behaviour of TiAlN and TiAlN/CrN coated notched P20 steel specimens

The performance of single layer TiAlN and multilayered TiAlN/CrN physical vapour deposition coatings deposited on AISI P20 steel substrate in affecting overall fatigue resistance of notched specimens was assessed and compared with the performance of the uncoated counterparts. V‐shaped circumferential notches on cylindrical specimens were adopted for fatigue tests. Surface coating characteristics such as hardness, elastic modulus and microstrains were measured and found to be different and often larger than those of the steel substrate. Unlike the un‐notched (smooth) coated specimens, which are known to exhibit large improvements in fatigue life in the high cycle fatigue regime, considerable reductions in fatigue life of the coated notched samples were observed. This was understood to be because of the coating's brittleness, which induces at the notch tip early and frequent fatigue crack initiations, especially in the case of multiple layered coatings. Scanning electron microscope images showed more crack initiation sites in both the coated specimens compared with the uncoated specimen. Also, presence of dimples on the surface confirmed dimple rupture mechanism in the ductile steel substrate in the coated and uncoated specimens.     

金属材料和结构的疲劳寿命预测概率模型及应用研究进展

疲劳过程的不确定性以及影响疲劳寿命的不确定性因素较多,导致疲劳寿命的分散性难以预测,在疲劳寿命预测模型中采用统计学和概率论的概念和方法是描述疲劳过程不确定性和疲劳寿命分散性的一种重要手段。本文针对疲劳寿命预测概率模型进行综述,总结和介绍了疲劳寿命经验公式和参数的随机化模型、表征疲劳寿命离散性的统计模型、基于材料微结构和疲劳物理机制的疲劳寿命预测概率模型以及研究广布疲劳损伤的概率模型,并对金属材料与结构的疲劳寿命预测方法进行了展望。