高频载荷下高强钢的超高周疲劳及热耗散研究

应用超声疲劳试验技术,对两种高强度钢(42CrMo4,100Cr6)在20kHz频率下的超高周疲劳性能进行测试分析.实验结果表明:两种钢的S -N曲线在106周发生了明显的变化,出现了水平渐近线.尽管23个42CrMo4钢试样用于1010周的疲劳试验,但在8.76×107循环周次以上,没有疲劳破坏发生,42CrMo4钢存在疲劳极限,而100Cr6钢的S -N曲线呈现台阶型.高精度热成像仪检测不同载荷条件下疲劳试样温度的变化结果显示:温度的变化与试验材料和加载水平有关.试样温度的快速升高发生在超声疲劳试验的初期,温度的变化反映了材料内部的热耗散过程.裂纹萌生后,微裂纹处不可逆的局部塑性变形导致裂纹萌生区温度急剧升高,疲劳试样内部温度场的变化反映材料的疲劳损伤过程.SEM观察表明:在长寿命区,疲劳裂纹常萌生于试样内部或次表层组织缺陷处.     

60Si_2Mn钢的低周拉扭复合微动疲劳特性

测量60Si_2Mn钢在拉扭复合载荷作用下的低周微动疲劳特性,研究了不同轴向循环拉伸应力幅值对微动疲劳寿命、循环软化特性以及摩擦磨损表面和断口形貌的影响.结果表明,随着循环拉伸应力幅值的提高,60Si_2Mn钢的微动疲劳寿命降低幅度不同,发生循环软化的时期不断提前,完成循环软化的疲劳周期也不断缩短。同时,微动摩擦副产生的氧化物磨屑对微动磨损性能有重要影响,在疲劳前期加剧摩擦磨损,在疲劳后期减轻摩擦磨损。微动疲劳裂纹源形成于试样发生微动摩擦磨损的表面,并出现疲劳台阶。在扭矩产生的切向剪切应力作用下,疲劳裂纹沿着与轴向45°角的方向扩展,最终在断口上留下显著的舌状凸起,拉应力的幅值越大舌状凸起越明显。     

合金元素Mo对材料超高周疲劳性能的影响

采用超声疲劳试验技术对42CrMo钢超高周疲劳性能进行了研究。将42CrMo钢超高周疲劳S-N曲线与已有文献中40Cr钢在相同试验方法和试验条件下得到的超高周疲劳S-N曲线进行比较,结果显示42CrMo钢超高周疲劳性能优于40Cr钢。通过分析推测,合金元素Mo增加了疲劳裂纹内部萌生的时间,进而提高了材料超高周疲劳的寿命。     

非调质贝氏体钢转向节的弯曲疲劳试验

在MTS810,500kN试验系统上对五十铃非调质贝氏体钢转向节进行了弯曲疲劳试验.用SAFL方法进行数据处理,并用统计分析方法对实验结果进行了分析,对非调质贝氏体钢转向节的使用可靠性进行了预测.结果表明:在名义工作应力下,非调质钢转向节的疲劳寿命安全程度很大,SAFL方法评价零件的疲劳寿命是可行的.     

18CrNiMo7-6合金钢的弯曲微动疲劳特性

对18CrNiMo7-6合金钢进行弯曲微动疲劳实验,建立弯曲微动疲劳S-N曲线,并对实验结果进行分析。结果表明:该合金钢的弯曲微动疲劳S-N曲线不同于中碳钢材料,也不同于常规弯曲疲劳,而是呈"ε"型曲线特征。随着弯曲疲劳应力的增加,微动运行区域由部分滑移区向混合区和滑移区转变,损伤区的磨损机制以剥层、磨粒磨损和氧化磨损为主。在混合区内,裂纹最易萌生和扩展,且裂纹均萌生于材料接触区次表面。受接触应力和弯曲疲劳应力影响,弯曲微动疲劳裂纹的萌生和扩展可分为三个阶段:初期,在接触应力控制下,裂纹萌生于次表面;随后,裂纹受接触应力和弯曲疲劳应力共同控制,转向更大角度方向扩展;最后,裂纹完全受弯曲疲劳应力控制而垂直于接触表面扩展,直至断裂失效。     

轻合金自冲铆微动磨损及疲劳性能研究

选择4组轻合金自冲铆进行疲劳实验,用扫描电子显微镜和能谱仪对其断口进行微动磨损机理分析,并系统地研究了接头疲劳寿命和失效形式的影响因素。结果表明,下板与钉腿区的微动磨损是导致下板沿纽扣断裂和铆钉断裂的主要原因,两板间的微动磨损是导致上板靠钉头断裂的主要原因;微动磨屑主要成分为金属板材氧化物,并对微动磨损起缓冲作用。增加板厚可提高接头疲劳寿命,且疲劳载荷较大时寿命提高更为显著;增加板强可提高接头疲劳寿命,且寿命提高程度受疲劳载荷影响较小。增加板厚使失效形式从上板断裂变为下板断裂,增加板强使失效形式从板材断裂变为铆钉断裂。     

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。     

局部高密度钢纤维混凝土弯曲疲劳损伤演变规律

在混凝土弯曲构件底部用高密度钢纤维局部增强称为局部高密度钢纤维混凝土(PHPFRC)与同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土(SFRC)比较它可以用相近的价格获得高得多的刚度﹑承载力和抗疲劳断裂性能为了能够预测PHPFRC在循环荷载作用下的疲劳寿命需要确定其疲劳损伤演变规律本文通过试验发现局部高密度钢纤维混凝土的弯曲疲劳损伤表现出韧性材料所具有的性质基本上接近韧性损伤这与素混凝土及传统钢纤维混凝土有本质的不同根据其疲劳特性的实验结果探讨了PHPFRC弯曲疲劳损伤阈值结合损伤理论建立了适合于纤维体积掺量为1.2%的局部高密度钢纤维混凝土试件的弯曲疲劳损伤演变方程     

42CrMo钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

以高频三点弯曲疲劳试验机为平台,进行42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验研究,通过建立裂纹扩展剩余寿命评估模型,实现对存在裂纹的工程机械零部件剩余寿命的评估。采用显微成像测试系统实时采集并测量疲劳扩展裂纹,使用声发射系统监测整个疲劳裂纹扩展过程。结果表明:声发射幅值、能量等特征参数可以实时反应疲劳裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展等各个损伤阶段,并在疲劳断裂时产生急剧的突变;裂纹扩展速率的对数值与应力强度因子幅的对数值具有较高的线性相关性,建立了不同应力工况条件下裂纹扩展剩余寿命评估模型,以双排链轮轴为例进行裂纹扩展剩余寿命评估;随着疲劳应力的增加,裂纹扩展剩余寿命减小。     

接触应力对车轴钢旋转弯曲微动疲劳寿命的影响

研究LZ50车轴钢不同过盈配合接触应力水平对旋转弯曲微动疲劳寿命的影响。分别利用光学显微镜、扫描电子显微镜对过盈配合表面的微动损伤表面和断口进行分析。结果表明,随着过盈量的增加,LZ50车轴钢旋转弯曲微动疲劳寿命呈现先降低而后升高的非线性特征,这是多轴复杂应力、配合面的接触应力、微动摩擦应力以及微动磨损交互作用的结果。     

42CrMo钢三棱螺旋钻杆接头断裂原因分析

某42CrMo钢三棱螺旋钻杆接头在进行煤层钻采过程中发生断裂。采用宏观观查、化学成分分析、力学性能测试、硬度测试、金相检验、应力分布有限元模拟等方法对钻杆接头断裂的原因进行了分析。结果表明:该42CrMo钢三棱螺旋钻杆热处理时因回火温度过低,使其硬度偏高,造成冲击吸收能量偏低,韧性较差,在扭转、弯曲等交变载荷作用下,于螺纹牙底的应力集中处发生早期疲劳断裂。     

基于SWT模型和威布尔分布的CFRP环带微动疲劳寿命预测

以铰销式碳纤维增强基复合材料(CFRP)环带为研究对象,基于SWT疲劳寿命预测模型,推导了服从威布尔分布的概率疲劳寿命预测方法.在给定的荷载条件下,建立ANSYS有限元模型,获得最不利破坏点处的应力、应变数值,并将其代入SWT模型计算微动疲劳损伤参量.根据微动疲劳寿命实验结果,采用最大似然估计法,建立在双参数威布尔分布下微动疲劳寿命与损伤参量的函数关系,得出在一定可靠度下的微动疲劳寿命预测值.结果表明:有限元的数值模拟结果与实验结果具有一致性,在四个荷载工况下,SWT模型损伤参量和威布尔分布参数值的三次项插值函数均方误差最小,得出95%可靠度下的疲劳寿命循环次数预测值均小于疲劳实验最小测量值,可作为工程设计值使用,同时说明了此疲劳寿命预测模型的正确性.     

微动损伤对复合材料螺栓连接预紧力松弛的影响

开展了横向循环载荷下复合材料螺栓连接件预紧力松弛试验,探究了材料疲劳损伤与接触面微动磨损联合作用下螺栓连接预紧力松弛过程。基于有限元软件ABAQUS,采用Archard磨损模型和ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）自适应网格技术,编制了适用于连接结构微动磨损的UMESHMOTION子程序,建立了分析连接支承面微动磨损的计算模型;利用子程序UMAT编制了Shokrieh和Lessard提出的疲劳累积损伤定量分析程序。在此基础上分析了复合材料疲劳损伤、螺孔伸长及接触磨损的耦合作用下预紧力随循环周次变化的机制,与实验结果进行对比,验证了所提出的预测方法的合理性、有效性。      

基于时变可靠度和疲劳效应的井架钢结构剩余寿命分析

为准确预测在役井架钢结构剩余服役年限的长短,建立了基于时变可靠度和疲劳效应的剩余寿命预测理论。推导了杆件等效截面积与损伤缺陷随时间变化的函数关系,建立了井架钢结构抗力时变模型;编制了井架钢结构的疲劳载荷谱,并应用S-N曲线法及雨流计数原理等相关理论,建立了基于疲劳效应的寿命预测理论。对JJ220/42-K型井架钢结构进行了剩余寿命预测,结果表明,综合考虑腐蚀与初弯曲影响时的寿命明显低于仅考虑腐蚀时的寿命,说明局部损伤对寿命影响较大;结构的可靠度寿命明显低于疲劳寿命。     

汽轮机转子10%Cr钢的高温低周疲劳特性

在分别控制应变和温度的条件下进行超超临界汽轮机转子10%Cr钢的高温低周疲劳实验,用SEM和TEM分析了10%Cr钢实验前后的表面形貌和亚晶粒结构。根据实验数据拟合应力-应变曲线、应力-寿命曲线和应变-寿命曲线,得到了反映材料高温低周疲劳特性的Ramberg-Osgood参数和Manson-Coffin参数。对比分析了低周疲劳实验初始和结束两个阶段的滞回曲线和应力-寿命曲线,并讨论了不同温度和不同应变幅控制的塑性应变。结果表明,在高温工况下10%Cr钢的塑性应变较为明显,随着应变幅的增大钢的疲劳寿命降低,随着循环周期的变化塑性应变速率经历了下降-过渡-上升三个阶段,曲线出现拐点。最大裂纹长度随循环周期呈非线性扩展,高温低周疲劳载荷使钢中的亚晶粒尺寸增大。     

35CrMoA微动疲劳特性及其微结构研究

通过平面对平面的接触方式,研究35CrMoA微动疲劳特性及其微结构,通过透射电镜(TEM)观察并分析了微动疲劳过程中不同接触应力及不同循环周次时接触区位错的组态。结果表明,随着接触应力的增大,其寿命不断降低,但在不同接触应力区间内,疲劳寿命降低的趋势不同;随着微动疲劳周次增加,其位错密度逐渐增大并互缠结在一起,进一步演化为位错胞;在不同接触应力下,微动疲劳后期都形成了位错胞结构;微动疲劳表层发现有层错亚结构,并且微动接触区的表层容易形成驻留滑移带。     

层板复合材料疲劳性能的实验研究

对层板复合材料在拉伸－拉伸疲劳载荷作用下的初始静刚度、初始静强度、剩余刚度、剩余强度、疲劳寿命进行了实验研究,取得了大量的有意义的实验数据,分析了层板复合材料的初始静刚度、初始静强度和疲劳寿命的概率分布,讨论了层板复合材料在不同应力水平下剩余刚度随疲劳循环周次的衰减变化及损伤破坏的形式,得到了一些有意义的结论。     

热交变载荷下10%Cr耐热钢蠕变疲劳裂纹萌生特征

为调节新能源间歇式发电模式所带来的弊端,需要使用火力发电厂调峰稳定电网波动。调峰过程中机组频繁启停,加剧高温部件的疲劳蠕变损伤。通过分析现有寿命模型描述温度交变载荷下汽轮机转子钢性能的不足,提出预载荷实验方案。且以预载荷实验数据为基础,优化现有寿命预测模型。通过模拟交变温度下的临近工况实验,对比应力应变关系和疲劳蠕变寿命,对所优化的寿命模型进行了评估。     

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。      

高孔率泡沫金属材料疲劳表征模型及其实验研究

通过基于高孔率开口泡沫金属材料结构特点的简化结构模型和受力状态分析,建立了此类材料在循环载荷作用下的负载结构-疲劳模型,分析得出了对应疲劳性能的衡量指标。在上述模型的基础上,运用由该模型得出的高孔率开口泡沫金属疲劳性能的衡量指标,以电沉积法所得泡沫镍为例,对此类材料的疲劳性能进行了相关的实验研究。通过压-压循环和弯曲循环两种载荷作用的实验,验证了理论分析所得疲劳性能衡量指标的可行性。结果表明:泡沫镍在压-压循环载荷作用下的类应力疲劳性能随孔率增大而降低,而在弯曲循环载荷作用下的类应变疲劳性能则随孔率增大和孔径减小而提高。