碳纳米管增强镁基复合材料的界面分离特性

建立碳纳米管增强镁基复合材料界面弹性应力传递摩擦拔出模型,得到镁基复合材料各组分的应力和应变。考虑泊松效应和界面上摩擦应力的作用以及基于界面分离过程能量平衡和界面应变失配原则,得到界面能释放率和裂纹位移展开轮廓的表达式。分别从界面能释放率和裂纹位移展开轮廓两个方面研究复合材料性能参数对碳纳米管增强镁基复合材料断裂的影响。结果表明:界面分离长度和界面厚度较大,则复合材料的界面分离能释放率就越大;较大的界面分离长度、界面厚度、弹性模量和泊松比均对复合材料的裂纹位移展开轮廓产生较大影响;碳纳米管长径比越小,则复合材料的界面分离能释放率和裂纹位移展开轮廓越大;对界面材料的弹性模量和泊松比选择存在着最佳值。     

涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展分析

基于有限元软件ABAQUS和三维裂纹扩展分析软件Franc3D,对涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展进行研究分析。首先,对平板试样表面裂纹进行裂纹扩展模拟计算研究,对比手册中Gross/Brown理论模型验证裂纹扩展应力强度因子数值模拟的准确性;其次,针对涡扇发动机涡轮盘结构,对轮盘不同外缘等效应力、转速情况的应力强度因子以及考虑初始缺陷的三维疲劳裂纹扩展寿命进行计算;最后,讨论发动机载荷差异对应力强度因子和裂纹扩展寿命影响规律。结果表明:在相同裂纹长度时,应力强度因子随着轮盘外缘等效应力和转速增加而增大,载荷越大疲劳寿命则越短,且裂纹越长,影响越大。为工程上三维裂纹扩展计算以及寿命评估提供参考。     

基于XFEM的复杂应力状态下疲劳裂纹扩展分析

以AZ31镁合金为研究对象,基于扩展有限元方法,对板件上0°、80°和90°这3种不同角度裂纹在9种不同应力状态交替载荷作用下的扩展形态进行数值模拟分析。结果表明,不同应力状态交替载荷作用下,相同角度的疲劳裂纹扩展形态不同;相同应力状态交替载荷作用下,不同角度的疲劳裂纹扩展形态也不同;疲劳裂纹在受到交替拉应力作用时更容易发生扩展,裂纹扩展的方向与垂直于初始裂纹的拉伸分应力有关,裂纹一般为张开型/I型;在受到交替压应力和剪应力作用时,裂纹一般为滑移型/II型;裂纹完全开裂时,疲劳裂纹的长度与循环次数成正比。     

再制造件涂覆层内部裂纹扩展行为研究

目的研究再制造件涂层内部不同形状、尺寸的裂纹扩展行为。方法利用扩展有限元和内聚力单元结合的方法,通过设定断裂能G值作为控制裂纹扩展的参数,对三点弯曲试验以及拉伸试验下涂覆层内部的裂纹进行模拟,并通过实验进行验证。结果随着载荷的增加,涂层中的垂直裂纹和45°倾斜裂纹均沿着涂层厚度方向扩展,到达界面时裂纹发生偏转,沿着界面继续扩展而并没有越过涂层-基体界面向基体扩展。模拟得到三点弯曲试验下初始长度为0.2 mm的垂直裂纹和45°倾斜裂纹开裂的临界载荷分别为3.47 k N和4.49 k N,裂纹长度增加至0.3 mm时,临界载荷降低为3.29 k N和4.31 k N。裂纹越靠近试件中心,临界载荷越小,越易发生裂纹扩展现象。另一方面,在拉伸试验下,0.2 mm的垂直裂纹的临界开裂载荷(3.47 k N)小于投影长度相同的倾斜裂纹的临界载荷(5.21 k N),而与拉应力平行的裂纹并未扩展。实验得到0.2 mm的垂直裂纹在弯曲试验下的平均临界载荷为3.49 k N,而倾斜裂纹为4.46 k N。结论三点弯曲试验下,垂直裂纹比倾斜裂纹更危险,初始长度越长、越靠近试件中心的裂纹越易发生裂纹扩展现象。在拉伸试验下,与拉应力平行的裂纹并未扩展,最安全。模拟结果与实验相近,验证了模拟的正确性。     

基于ABAQUS的某无人机机翼肋板裂纹扩展仿真

采用Python语言对ABAQUS进行二次开发,实现了对无人机机翼肋板裂纹扩展的模拟。试验将机翼肋板简化为二维平板结构,在肋板与梁的连接处放置裂纹,模拟不同初始角度的裂纹的扩展过程。结果表明:裂纹的扩展形态、扩展过程中的应力强度因子和裂纹扩展角的变化规律,与裂纹的初始角度有密切的关系;可分为两种情况:当裂纹初始角度为50°~70°时,裂纹沿着初始方向向前扩展,不发生方向的改变;当裂纹初始角度为-70°~40°时,裂纹最终向着翼肋的下表面扩展。该结果对研究机翼肋板裂纹的止裂以及裂纹扩展速率等有一定的参考价值。     

38CrMoAlA钢表面氮化多冲疲劳性能研究

研究了38CrMoAlA钢表面氮化多冲疲劳裂纹萌生寿命、裂纹断裂寿命及裂纹扩展速率。结果表明:在低冲击能量状态下氮化对裂纹萌生影响不显著;而高冲击能量状态下氮化显著提高裂纹的萌生寿命和断裂寿命。冲击能量和氮化对裂纹扩展速率影响不显著,在相同的冲击能量和应力强度因子范围ΔK下,氮化试样的裂纹扩展速率低于未氮化试样的裂纹扩展速率。     

基于内聚力模型的单胞颗粒复合材料损伤行为研究

基于材料的细观结构等效颗粒相、基体相以及界面相,采用非线性有限元软件建立了复合材料的三相单胞模型,模拟了界面从出现初始损伤到裂纹完全扩展、界面脱粘的全过程。借助数值模拟,探讨了界面初始线性模量、界面结合强度和界面能量释放率对材料损伤演化规律的影响。结果表明,当载荷较小时,界面完好结合,可以起到在颗粒与基体间很好地传递应力的作用;当载荷达到界面的最大应力时,界面无法继续承载,开始出现初始损伤;当载荷继续增大时,界面承载能力下降,界面进入损伤扩展阶段直至界面应力为零,界面完全脱粘失效。在静水拉力的作用下,当界面能量释放率较大时,界面发生完全脱粘所需的分离位移也随之增加,脱粘的时间较晚。     

基于概率统计方法对钢轨疲劳裂纹路径的研究

目的利用有限元软件ANSYS对车轮滚过裂纹过程进行分析,确定轮轨接触疲劳裂纹的扩展方向。方法基于最大周向应力判据,用概率统计的方法对车轮滚过裂纹过程中,不同角度初始裂纹可能的扩展角度进行分析。车轮滚过裂纹过程中,用可能扩展角度的均值作为裂纹的扩展方向计算裂纹扩展路径。结果用概率坐标纸拟合出的相关系数均大于98.5%,说明裂纹可能的扩展角度符合威布尔分布的可能性超过98.5%。当裂纹长度小于700μm时,裂纹可能的扩展角度基本符合威布尔分布;当裂纹长度达到800μm时,裂纹尖端的等效应力强度因子(Keff)出现4个峰值;当裂纹长度达到1200μm时,第3个峰值载荷处裂纹尖端的Keff超过了材料的断裂韧性,此时裂纹会向行车相反的方向急剧地扩展。结论对于不同角度初始裂纹,其扩展角度基本符合威布尔分布;整个裂纹路径的趋势与实验测得的裂纹路径有较好的一致性,车轮滚过裂纹过程中,用裂纹可能扩展角度的均值作为裂纹的扩展方向可行。     

蠕变性能失配对应力腐蚀裂尖力学场的影响

核电一回路中应力腐蚀开裂(SCC)是奥氏体不锈钢和镍基合金的主要失效形式。金属在高温水中会发生蠕变,从而影响了裂纹的扩展速率。以紧凑拉伸试样为研究对象,采用ABAQUS软件,分析了蠕变失配对SCC裂尖应力、应变以及蠕变速率和裂纹扩展速率的影响。结果表明,蠕变会使裂尖处的高应力在短时间内快速减少,但对应变的影响不明显。随着失配比的增加,C_t积分增大,同时裂纹扩展速率也越大,裂纹在蠕变主导下更易扩展。     

Q235钢短裂纹扩展的力-磁耦合模拟

为了研究Q235钢短裂纹扩展过程中磁信号的变化规律,从能量守恒角度建立了力-磁耦合模型,用有限元方法求解出表面短裂纹不同方向扩展引起的应力分布和磁感应强度,分析拉伸载荷下早期短裂纹扩展对表面空间磁信号的影响。结果表明:随着拉应力的增加,磁感应强度线性增大;短裂纹形成的磁异常表现为磁感应强度出现峰值,磁异常峰值随短裂纹长度和宽度的增加呈先增大后减小的趋势,随深度的增加逐渐增大;短裂纹沿长度、宽度、深度3个不同方向扩展均会影响磁异常峰值,其中深度变化对磁信号的影响最大。可通过测量表面磁感应强度来判别Q235钢的早期损伤,数值模拟为磁法检测在Q235钢及相似材料特性构件的短裂纹扩展问题中的应用提供了理论依据。     

热疲劳裂纹张开过程的有限元模拟

用有限元方法并考虑材料的多线性随动强化性质对带有裂纹的简单试件模型进行热疲劳分析,研究热疲劳裂纹张开的过程和规律。试件上下端固定,左侧温度按照60℃-240℃-60℃循环,右侧恒温60℃,裂纹位于左侧中部。热疲劳裂纹张开、扩展的直接动力是垂直裂纹面的拉应力,其产生是由于在升温半循环中左侧材料膨胀受压产生压缩塑性变形,经历降温半循环温度回到初始温度60℃时,试件左侧塑性变形不能完全恢复,于是拉应力产生,裂纹张开。在稳定的温度循环下,由于试件左侧塑性变形不断累积,热疲劳裂纹的张开位移和应力强度因子增加,并趋于稳定。     

Propagation and termination of an internal crack in continuously cast austenitic stainless steel analyzed by ∑ values and the Schmid factor

The formation mechanism of an internal crack was clarified from the viewpoint of the crystallography and thermal expansion. An inverse pole figure map obtained by EBSD pattern showed that the crack propagated along the grain boundaries having high ∑ values within the columnar zone. After the crack initiation, these positions were considered to undergo cracking followed by propagation toward the equiaxed side. Near the termination position, the grains ahead of crack propagation had a Schmid factor higher than 0.45 consuming elastic strain energy. Thermal expansion measurements showed that the grain with (0 0 1) orientation had the largest expansion while that with (0 1 1) the smallest. The grain boundaries neighboring the combination of (0 0 1) and (0 1 1) grains had the largest thermal stress. Therefore, thermal stress contributed to the initiation of cracking. It was thus proposed to enlarge the equiaxed zone to prevent cracking by discontinuing the crack propagation.     

航空发动机叶片TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

目的研究TC4钛合金的振动疲劳特性及寿命预测。方法通过共振疲劳试验,分析裂纹尖端应力强度因子的变化规律,计算不同应力水平下疲劳裂纹扩展的速率,建立剩余寿命预测计算模型。结果裂纹尖端的应力强度因子是表征裂纹扩展速率快慢的有效参数,与裂纹长度及应力场的大小相关。在裂纹扩展初期应力为274 MPa的条件下,裂纹扩展速率的试验值与计算值吻合较好。通过寿命预测模型计算可知,当初始裂纹为0.5 mm,最终裂纹长度达到5 mm时,在应力为274、366、422 MPa的条件下,振动循环周期分别为36 577、19 090、13 865。结论在应力比为?1的振动条件下,裂纹扩展速率随应力水平的增大而加快,同时初始裂纹长度越长,应力相同时,裂纹扩展速率提高。通过寿命预测模型,可计算出结构件的使用寿命。     

氧化对WC_p/钢基表层复合材料热裂纹萌生扩展的影响

利用负压实型铸渗工艺,通过涂覆预制块法,成功地制备了以高铬钢为基材,WC为增强颗粒的表层复合材料,通过氧化增重法、热震实验法及扫描电镜等分析测试方法重点研究了氧化对WC/钢基表层复合材料热裂纹萌生及扩展的影响。研究结果表明:WC颗粒在高于600℃时,会氧化成为结构疏松的WO3,并且随着温度的升高,氧化反应的速度加快,而WC的氧化,对热疲劳裂纹的萌生和扩展产生重要的影响。在500℃以上的空气环境中,复合材料基体会在裂纹源的尖端处形成氧化物。结合环境中的氧对裂纹扩展影响的分析可知,生成的氧化物为裂纹的扩展提供了途径,并且使复合材料极易在热应力的作用下导致开裂。     

变质处理后Fe-V-W-Mo-Cr合金热疲劳性能的研究

采用自约束热疲劳试验机对Fe-V-W-Mo-Cr合金进行了热疲劳试验，采用金相显微镜对热疲劳裂纹扩展行为进行了研究，同时用RE-Mg对Fe-V-W-Mo-Cr合金进行变质处理。结果表明，经RE—Mg变质处理后，碳化物和基体组织明显细化，并产生较多的小块状和颗粒状碳化物，促使合金的导热系数增加，热膨胀系数减小，热疲劳裂纹萌生所需热循环次数增加，裂纹扩展速率减小，在热循环700周次后的热疲劳裂纹长度减小约49％。     

界面粗糙度对热障涂层残余应力和裂纹演化的影响

由于残余应力的作用是造成热障涂层失效剥落的主要因素之一,本工作采用不同幅值的正弦曲线来模拟粗糙度对陶瓷层(TBC)-结合层(BC)界面处残余应力分布的影响;以内聚力模型模拟TBC-BC界面,研究了在外加机械载荷作用下粗糙度对界面裂纹萌生和扩展的影响。结果表明,粗糙度对残余应力分布以及裂纹的形核与扩展有很大的影响。随着粗糙度的增大,陶瓷层和结合层靠近界面的波峰波谷处最大拉/压应力也增大。当施加一定拉伸位移载荷时,最大损伤与裂纹首先在幅值最小的波峰波谷处产生。     

40%Ni—Ti（C,N）金属陶瓷热冲击疲劳的研究

对４０％Ｎｉ－Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）金属陶瓷在热冲击条件下缺口试样裂纹的形成及扩展进行了研究。结果表明,裂纹的形成存在孕育期,且随循环温度的升高,孕育期缩短,扩展速率增加;裂纹的形成与组织中陶瓷相／金属相界面微孔洞的形成有关。扫描电镜观察发现,断口形貌中存在着疲劳条纹,断裂沿陶瓷相／金属相界面及金属相中进行     

TGO及初始裂纹对热障涂层裂纹形核与扩展影响的有限元分析

针对热障涂层系统裂纹的形核位置变化与扩展失效过程及其机理,提出采用内聚力单元分析热氧化物（TGO）层/陶瓷（TC）层界面裂纹的形核位置及扩展,采用扩展有限元法分析TGO层厚度、粗糙度以及TC初始裂纹对新TC、TGO裂纹形核位置及扩展的影响。结果表明:TGO/TC界面承受热循环载荷后,界面裂纹首先出现在近波峰处同时向两侧扩展;在冷却过程中,随着TGO初始厚度增加,TC裂纹的形核位置由波峰转向近波峰处而裂纹扩展长度没有明显变化,TGO裂纹形核位置不变但裂纹长度明显增加;随着TGO粗糙度的不断减小,TC裂纹形核位置由近波峰向中部转移,而裂纹扩展长度没有明显变化。当粗糙度减小到一定程度,TC裂纹被抑制。而TGO裂纹的形核位置没有变化,但裂纹扩展长度随着TGO粗糙度减小而增大;初始横向TC裂纹越长,TGO裂纹也越长。近波峰与中部的初始竖直TC裂纹能有效地抑制新的TC裂纹形核与扩展。本研究为热障涂层微裂纹失效机理提供了理论支撑。     

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。