焊接残余应力对7N01铝合金疲劳裂纹扩展影响

焊接残余应力作为平均应力影响裂纹扩展. 将残余应力与外载平均应力分离,通过构建典型焊接残余应力场,借助扩展有限元计算焊接残余应力场的应力强度因子. 开展了紧凑拉伸（CT）试样的疲劳扩展试验,基于Walker公式将裂纹尖端平均应力强度因子K_m（静态量）和应力强度因子幅值ΔK（动态量）分离,获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与K_m及ΔK的非线性关系. 结果表明,不同外载荷下,应力比与裂纹长度为非线性关系;残余应力对裂纹扩展存在尺度效应:CT试样裂纹长度小于2 mm时,残余应力场明显影响疲劳裂纹扩展速率;当裂纹长度大于2 mm,外载荷为主导因素.     

基于解析算法与J积分法的耐候钢接头疲劳裂纹扩展分析

为准确描述焊接接头疲劳裂纹在扩展中的动态过程,借助多阵元超声相控阵设备对12 mm厚耐候钢对接接头的表面裂纹扩展动态进行实时监测,得到半椭圆形裂纹深度、长度与寿命的演化关系.借助Abaqus建立有限元分析模型,将裂纹几何变化历程输入,计算裂纹尖端7个方向的能量释放率,获得裂纹尖端应力强度因子幅值.将裂纹尖端(θ = 90o)的K值与BS7910标准中推荐解析公式对比分析,其结果吻合性好.在此基础上,分别采用简化公式与两阶段扩展模型计算试样的疲劳寿命. 结果表明,两阶段裂纹扩展模型能准确地预测对接接头裂纹的疲劳寿命,且与试验结果高度吻合.     

U75V钢轨材料在疲劳载荷下应力强度因子的探讨

以U75V钢轨材料紧凑拉伸(compact tension, CT)试样为研究对象,应用理论公式、弹性位移外推法/弹性应力外推法、弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法,求解在疲劳载荷作用时不同裂纹长度下的应力强度因子及幅值。结果显示,弹性位移外推法/弹性应力外推法计算的应力强度因子及幅值和理论解基本一致;裂纹长度小于12 mm时各种计算方法的应力强度因子以及幅值几乎一样,但随裂纹长度的增大,弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法计算的应力强度因子Kmax以及幅值呈增大趋势。在疲劳裂纹扩展阶段中后期,考虑小范围屈服时,使用弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法计算的应力强度因子及幅值用于疲劳裂纹扩展速率和疲劳剩余寿命的计算会更安全。     

考虑应力比和门槛值的海水腐蚀疲劳裂纹扩展预测模型

采用自行改造的海水腐蚀疲劳试验机,研究了3 Hz频率、不同应力比R(0.1、0.3、0.5)下,海洋工程用结构钢DH36Z35在空气和人造海水中疲劳裂纹扩展动力学行为。结果表明:相同裂纹尖端应力场强度因子幅值ΔK下,空气和海水环境中都显示疲劳裂纹扩展速率随着应力比R的增加而增加的规律,在近门槛值区间1×10^-7 mm/cycle≤da/dN≤1×10^-6 mm/cycle该现象尤其明显;在疲劳裂纹扩展速率da/dN>1×10^-6 mm/cycle的中速区间,空气中和海水中疲劳裂纹扩展速率出现拐点,高于该拐点海水加速裂纹扩展,低于该拐点海水抑制裂纹扩展,且应力比R越大,拐点对应裂纹扩展速率越高。依据空气和海水中不同应力比和门槛值条件下疲劳裂纹扩展速率实验结果,提出了一种修正的Walker模型,可通过空气中疲劳裂纹扩展速率预测不同应力比下海水环境中疲劳裂纹扩展速率。     

T型焊接接头弯曲疲劳寿命预测方法

采用数值模拟方法对弯曲载荷下T型焊接接头疲劳裂纹由萌生至断裂过程进行研究,将焊接构件疲劳总寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,提出一种基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测方法。首先针对T型接头进行有限元建模,基于应变-寿命曲线与Neuber公式计算T型接头局部应变集中区域的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的初始裂纹设为半椭圆形表面裂纹;然后在T型接头中创建与实际裂纹相符的半椭圆形状裂纹,结合Dugdale模型和Westergaard应力函数,根据有限元分析结果迭代计算半椭圆裂纹尖端的真实应力强度因子,建立裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度及附加应力变化的拟合公式;最后结合Pairs理论计算焊接构件裂纹扩展寿命,并与T型接头弯曲试验结果进行对比验证。结果表明:基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测值在试验结果的两倍误差带内,与试验结果具有较好的一致性;相同条件下,T型接头焊趾应力强度因子相比平面应变状态增加了25%; T型接头弯曲疲劳强度比拉伸疲劳强度高12%。     

残余应力对激光修复紧凑拉伸试件疲劳性能的影响

以304不锈钢制作的含裂纹紧凑拉伸试样为研究对象,开展了裂纹尖端激光修复实验研究。基于热力顺序耦合有限元方法,模拟了激光作用后裂纹尖端修复区残余应力的分布情况,并分析了裂纹扩展对应力重分布和塑性区尺寸的影响;同时,得到了考虑残余应力影响的应力强度因子,并由此建立了改进的裂纹扩展速率预测模型以评价修复试件的疲劳性能。最后通过开展疲劳裂纹扩展实验验证了本文模型的有效性。结果表明,裂纹尖端激光修复会使修复区产生残余拉应力,裂纹的扩展会使残余应力场重新分布,并减小裂纹尖端的塑性区尺寸。残余拉应力的存在会增大试件所受载荷的有效应力比,提高疲劳裂纹扩展速率,降低构件的疲劳寿命。     

2024-T4铝合金FSW接头疲劳裂纹扩展行为及寿命预测

基于ABAQUS与FRANC 3D联合仿真的方法,对2024-T4铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹于不同部位的紧凑拉伸试样进行裂纹扩展分析以及寿命预测,并深入分析不同部位裂纹扩展行为存在差异性的原因.结果表明,随着裂纹长度的不断延长,裂纹尖端应力强度因子随之增大,且裂纹向前扩展路径基本沿直线扩展,ABAQUS与FRANC 3D联合仿真方法分析不同部位的裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展路径的理论计算和试验结果基本吻合,验证了分区域进行联合仿真的模型精度满足要求.不同部位裂纹扩展试样寿命预测结果与试验结果的相对误差均在5%左右,对焊接接头分区域联合仿真进行寿命预测是准确可行的.裂纹位于不同部位的扩展试样断口处的疲劳辉纹间距不同导致预制裂纹于3个部位的疲劳寿命由低到高为：热影响区、垂直于焊缝方向、焊核区.     

不锈钢在循环扭转载荷下近门槛值的疲劳裂纹扩展行为

研究了带环状预裂纹不锈钢圆棒试样在循环扭转载荷下、门槛值附近的疲劳裂纹扩展行为,用应力强度因子表征了裂纹扩展开始的门槛值．随着裂纹的扩展,裂纹扩展速率由于裂纹面的滑移接触而减小．通过外插裂纹扩展速率与裂纹长度之间的关系,可近似得到裂纹长度为零时无裂纹面滑移接触影响的裂纹扩展速率．施加的应力强度因子范围可分解为推动裂纹扩展的有效值和由于裂纹面的滑移接触而屏蔽掉的两部分．预测了疲劳裂纹的萌生和断裂极限,预测值和实验值相当一致．     

激光-电弧复合焊接7075-T6铝合金疲劳断裂特性

研究激光一电弧复合焊接2mm板7075-T6铝合金在不同应力比尺和应力幅σa下的疲劳裂纹扩展行为．结果表明,优选的复合焊工艺参数激光功率3kW、电流110A和焊接速度3m／min条件下接头和母材的疲劳裂纹扩展速率曲线存在交叉现象,即当应力强度因子幅△K小于15．6MPa·m1/2。时,接头的疲劳裂纹扩展速率小于母材,反之则接头的疲劳裂纹扩展速率大于母材．而对应同一△K值,高应力比下的疲劳裂纹扩展速率快于低应力比条件下的扩展速率．应力幅或平均应力是影响疲劳裂纹扩展特性的主要因素．     

GH3230镍基高温合金的循环热震裂纹扩展行为

为了研究航空发动机火焰筒材料循环热震裂纹萌生扩展机制，采用自主搭建的水冷热震试验设备开展了GH3230镍基高温合金V型缺口平板试样的循环热震试验，峰值温度分别为800、900和1000℃。并采用有限元方法计算了裂纹尖端的应力场，最后基于Paris公式建立了不同峰值温度下GH3230镍基高温合金循环热震裂纹扩展速率模型。结果表明：随着峰值温度升高，循环热震裂纹萌生寿命逐渐降低，裂纹扩展速率加快，次裂纹的长度和深度也随之增加。随着裂纹的扩展，主裂纹尖端应力强度因子逐渐增加。次裂纹的存在会降低主裂纹尖端应力强度因子，但影响较小。Paris公式可以很好地描述循环热震裂纹扩展速率与裂尖应力强度因子幅值之间的关系。     

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。     

铝合金疲劳裂纹扩展声发射监测

采用声发射(acoustic emission,AE)技术对7N01铝合金单边缺口三点弯曲试样不同应力比、不同峰值载荷下疲劳裂纹扩展过程中声发射信号进行了监测,建立了裂纹扩展速率、声发射计数(count)与应力强度因子之间的关系.结果表明,大部分的声发射信号主要产生于疲劳循环载荷的低应力阶段,这主要是低应力阶段的声发射活动主要与裂纹尖端的塑性变形和裂纹闭合现象有关,声发射计数与应力强度因子之间呈指数增长的关系.基于所建立的声发射计数率与裂纹扩展速率的关系,可以预测疲劳损伤结构的剩余寿命.     

激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展试验

为研究激光冲击强化对钛合金试件疲劳性能的影响,在标准试件的裂纹扩展路径上设计了全强化和间隔强化两种不同的强化方案,研究激光冲击强化对试件疲劳寿命和裂纹稳定扩展时速率的影响规律,利用有限元数值模拟和X射线残余应力测试获得了试件的残余应力场分布状态,并对比分析了试件的断口形貌和微观组织特征。结果表明:相比于未强化试件,激光冲击强化后试件的平均疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.90倍,两种不同的冲击强化方法分别降低钛合金试件的裂纹扩展速率24%和15%。间隔强化后试件表面产生-512 MPa的最大残余压应力,裂纹扩展的C′值为-7.3,m值为2.6,而强化间隔区引入最大值为82.4 MPa的残余拉应力,裂纹扩展速率急剧升高,C′值减小至-13.6,m值为8.0。当裂纹扩展到强化区时,扩展速率再次降低,激光冲击强化对TC17钛合金疲劳裂纹扩展有显著的抑制作用。     

高速列车车轴用EA4T钢腐蚀疲劳性能研究

目的 研究腐蚀环境中EA4T车轴钢疲劳性能,为车轴的腐蚀检测和使用寿命评估提供依据.方法 采用旋转弯曲疲劳试验机,在人造雨水模拟的腐蚀环境和空气环境中,对EA4T车轴钢试样进行疲劳试验,以获得不同环境下试样的疲劳S-N曲线、表面损伤以及裂纹扩展规律.然后对扩展裂纹进行概率统计,通过扫描电镜对疲劳失效的断口进行观察,并分析对比不同环境中裂纹扩展门槛值的变化.结果 空气环境中,试样的疲劳极限为355 MPa,而在腐蚀环境中,试样不存在疲劳极限,107循环周次对应的疲劳强度降低到245 MPa,相比空气环境中降低了31％.Gumbel分布统计与Weibull双参数分布统计相比,更适合描述EA4T车轴钢试样表面腐蚀裂纹长度随加载次数的变化.腐蚀环境中,疲劳裂纹萌生于表面腐蚀坑,并存在多个裂纹源.腐蚀环境显著降低了试样裂纹扩展门槛值,空气环境下,该值为6.29 MPa·m1/2,腐蚀环境下降低到4.1 MPa·m1/2.结论 腐蚀环境降低EA4T钢疲劳寿命的主要原因是,腐蚀环境降低了裂纹扩展门槛值,加快了裂纹萌生以及短裂纹扩展.而当裂纹达到一定长度时,腐蚀环境对裂纹扩展几乎没有影响.     

Fatigue properties of rolled AZ31B magnesium alloy plate

Fatigue strength, crack initiation and propagation behavior of rolled AZ31B magnesium alloy plate were investigated. Axial tension-compression fatigue tests were carried out with cylindrical smooth specimens. Two types of specimens were machined with the loading axis parallel (L-specimen) and perpendicular (T-specimen) to rolling direction. Monotonic compressive 0.2% proof stress, tensile strength and tensile elongation were similar for both specimens. On the other hand, monotonic tensile 0.2% proof stress of the L-specimen was slightly higher than that of the T-specimen. Moreover, monotonic compressive 0.2% proof stresses were lower than tensile ones for both specimens. The fatigue strengths of 107 cycles of the L- and T-specimens were 95 and 85 MPa, respectively. Compared with the monotonic compressive 0.2% proof stresses, the fatigue strengths were higher for both specimens. In other words, the fatigue crack did not initiate and propagate even though deformation twins were formed in compressive stress under the cyclic tension-compression loading. The fatigue crack initiated at early stage of the fatigue life in low cycle regime regardless of specimen direction. The crack growth rate of the L-specimen was slightly lower than of the T-specimen. Consequently, the fatigue lives of the L-specimen were longer than those of the T-specimen in low cycle regime.     

AZ91HP镁合金疲劳裂纹扩展行为与断裂机理

试验分析了AZ91HP镁合金在压铸态(F)、固溶状态(T4)和固溶-时效状态(T6)的裂纹扩展行为,并探讨了压铸态镁合金疲劳断口组织特征与裂纹扩展机制。结果表明:压铸态AZ91HP-F疲劳裂纹扩展行为与ΔK值的大小有关,ΔK值越小,断口越平滑,ΔK值越大,断口越粗糙;裂纹扩展过程存在塑性诱发裂纹闭合效应,这一效应使得裂纹扩展的Kop值增加,ΔKeff值减小,并使疲劳裂纹扩展速率与合金塑性有关,由于AZ91HP的塑性依T6、F、T4状态依次增加,导致裂纹扩展速率依次降低。     

S135钻杆钢预腐蚀后的弯曲疲劳性能

目的：考察有机盐钻井液对S135钻杆材料腐蚀及疲劳性能的影响。方法首先利用高温高压釜模拟有机盐钻井液井筒的工况环境,对疲劳试样进行预腐蚀,通过点蚀仪测定试样表面的腐蚀状况;然后利用旋转弯曲疲劳试验机在不同弯曲应力条件下对预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳性能进行测试,算得不同存活率下的疲劳强度,并绘制不同存活率下的S-N曲线。用体视显微镜和扫描电镜观察预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳断口形貌,进而得出S135钻杆材料表面腐蚀对其疲劳寿命的影响程度和影响机制。结果经过腐蚀的试样表面有较多腐蚀坑,腐蚀坑深度在0.4~0.7 mm之间。未腐蚀试样的疲劳强度为553 MPa,其疲劳断口只观察到单个疲劳裂纹源;腐蚀试样的疲劳强度为409 MPa,其疲劳断口观察到多个疲劳裂纹源。 S135钻杆材料腐蚀疲劳开裂敏感性指数为26%。结论经过高温高压有机盐钻井液环境腐蚀后,试样表面点蚀严重,腐蚀坑底部存在应力集中并导致裂纹源的形成,多个裂纹源的同时生长加快了裂纹的扩展,最终降低S135钻杆钢的疲劳强度。     

考虑形状比的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处初始裂纹的不同形状比,基于NASGRO裂纹扩展速率模型对裂纹扩展过程进行了数值仿真. 以具有不同形状比的半椭圆表征焊趾表面裂纹,考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,并将裂纹前沿应力强度因子中值点作为裂纹扩展的主要控制参量,模拟并分析了不同形状比条件下裂纹前沿的形状演变和应力强度因子的分布及变化特点. 结果表明,随着裂纹的扩展,短裂纹阶段的不同形状比变化将趋于一致;短裂纹的形状比对早期裂纹扩展有较大影响,并最终导致整体疲劳寿命的显著差异性;综合初始形状比对裂纹前沿应力强度因子、扩展形状以及疲劳寿命的影响,可将其作用效果的强弱拐点作为界定短裂纹与长裂纹的有效参考. 开展了十字焊接接头疲劳验证试验,试验结果与仿真结果具有较好的一致性.