抽筒子疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

针对炮闩机构的抽筒子爪部出现疲劳断裂的问题,研究抽筒子的疲劳裂纹扩展及剩余寿命预测。针对抽筒子材料45CrNiMoVA,开展室温下断裂韧度和疲劳裂纹扩展试验,测试材料的断裂韧度,结合实验数据拟合得到Paris断裂公式。通过对抽筒子裂纹扩展因素的研究得到:应力由300 MPa减小至200 MPa时,剩余寿命增幅最大,增大约3.2倍;初始裂纹长度从0.5 mm增大到1 mm时;剩余寿命减小幅度最大,减小约1.8倍;当材料的断裂韧度越大,剩余寿命越大,且增长的趋势越来越缓慢。     

基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型

为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。结果表明：裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。     

基于裂纹萌生和扩展的渗氮钢疲劳寿命预测

以渗氮CrNiW钢的光滑试样和两种缺口试样为研究对象,开展超高周疲劳试验.观察渗氮CrNiW钢的疲劳断口显微组织,分析S-N曲线特性及失效机理,基于裂纹萌生模型和裂纹扩展模型计算渗氮CrNiW钢的萌生和扩展寿命,结合裂纹萌生和扩展寿命计算总疲劳寿命.结果表明:随应力集中系数增加,ΔKFGA小幅降低,ΔKfish-eye减小明显;应力幅值较低时,裂纹萌生寿命占总疲劳寿命的比例很高,裂纹扩展寿命占比很低,基本可忽略;模型预测的总疲劳寿命与试验结果较接近,除个别数据点外,预测结果均在2倍偏差内,预测较准确.     

高g值载荷作用下离散颗粒增强复合材料损伤特性研究

针对钻地弹攻击地下深层目标过程中,战斗部离散颗粒增强复合材料装药提前起爆现象进行高g值加载条件下的损伤形式研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统测量试件击靶前速度,压电传感器监测试件击靶端面应力状态,在Taylor冲击加载下的损伤特性进行试验,分析冲击载荷压力对离散颗粒增强复合材料宏观损伤特性的影响及其细观损伤模式及机理。结果表明:随冲击载荷压力不断增大,细观损伤模式为晶体颗粒表面与黏结剂间的剪切脱黏、孪晶带、穿晶断裂以及黏结剂劈裂等,细观损伤裂纹的加剧引起宏观裂纹产生,裂纹扩展断裂从而导致试件宏观损伤。晶体颗粒剪切脱黏强度模型和裂纹扩展断裂强度模型计算与试验结果基本吻合,为离散颗粒增强复合材料细观损伤机理研究提供重要参考依据。     

基于显微DIC的谐振疲劳短裂纹尖端变形场演化规律

为研究疲劳短裂纹扩展机理，提出一种基于显微数字图像相关(DIC)的塑性金属材料谐振疲劳短裂纹尖端位移场、应变场和塑性区的测量方法，并对其演化规律进行研究。通过显微摄像系统采集疲劳裂纹扩展过程中谐振载荷最大点试件短裂纹图像；采用DIC方法获得裂纹尖端区域位移场和应变场的数据。通过虚拟引伸计技术结合位移场演化数据获得短裂纹扩展过程中裂纹尖端坐标，进而根据von Mises屈服准则和应变场数据确定裂纹尖端塑性区尺寸及演化规律并与Irwin模型的理论尺寸进行对比验证；采用电子背散射衍射(EBSD)技术测量典型塑性金属材料316不锈钢疲劳裂纹尖端的晶粒尺寸分布，进一步研究谐振载荷作用下疲劳短裂纹尖端区域沿晶粒尺度的位移和应变的演化规律。研究结果表明：提出的方法成功获取了短裂纹微米级变形场演化数据，为塑性金属材料疲劳短裂纹扩展特性的进一步研究和疲劳寿命预测提供了实验和理论支持。     

超声冲击对铝合金MIG焊接接头超高周疲劳性能的影响

通过超声疲劳试验和超声冲击试验,探究A7N01P-T4铝合金焊接接头未冲击和冲击后疲劳试样超高周疲劳性能,利用高分辨扫描电镜对失效断口进行观察。结果表明:冲击后试样超高周疲劳寿命相对于未冲击试样有显著提高,两条曲线均连续下降,当循环周次为2×106周时,未冲击试样疲劳强度为69.30 MPa,冲击后试样疲劳强度为97.72 MPa,提高了41.0%;未冲击试样疲劳裂纹从焊趾表面萌生,冲击后试样焊趾处表层组织得到强化,裂纹从焊趾转移至焊缝表面萌生;两组扩展区形貌均主要以穿晶断裂为主,伴随大量的撕裂棱,局部观察到沿晶形貌,为典型的解离断裂特征,瞬断区观察到大小不同的韧窝,为韧性断裂特征。     

超声冲击对MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能的影响

通过超声冲击试验和超声疲劳实验来探究超声冲击对MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能的影响。结果表明:由S-N曲线可知,在106~109寿命区间内,冲击态试样的疲劳性能要高于焊态。在应力为40 MPa载荷下,焊态试样的疲劳寿命为1.86×10~7,而冲击态试样的疲劳寿命为9.77×10~7,提高425%,说明超声冲击可以明显提高MB8镁合金焊接接头的疲劳寿命。裂纹都是萌生于焊趾区,试样的断口存在6个不同区域:疲劳源区、初始扩展区、过渡扩展区、粗晶扩展区、柱状晶扩展区、瞬断区。     

铝合金搅拌摩擦焊接接头疲劳行为的研究

综述国内外铝合金搅拌摩擦焊接接头疲劳行为的研究结果。包括接头不同区域的疲劳行为;工艺参数对疲劳强度的影响;微结构、残余应力、试件的几何形状对疲劳裂纹扩展速率的影响;总结摩擦点焊接头疲劳裂纹扩展的特点。对比分析铝合金熔焊和搅拌摩擦焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。     

基于等效寿命的航空铆接疲劳特性试验研究

通过二级变幅载荷谱试验与Elber模型相结合分析搭接铆接结构疲劳特性,讨论铆接参数对疲劳断口特征及疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳裂纹萌生于搭接板内的多个位置,裂纹源及断裂截面位置受铆接参数及疲劳载荷水平影响;对于较大铆接力下疲劳载荷影响更显著,使用基于Elber裂纹张开应力模型的等效裂纹扩展速率能较好反映铆接工艺及第二弯曲效应影响下的结构疲劳寿命;通常情况下增大铆接力有利于提高疲劳寿命,但其变化规律依赖于疲劳载荷的水平;Smax=100 MPa时,增大铆接力对于4 mm铆钉试件提高疲劳寿命效果显著,但Smax=150 MPa时,较高的铆接力会导致疲劳寿命的增益出现衰减。     

基于能量耗散率的NEPE推进剂疲劳损伤分析

为研究NEPE推进剂在应变加载条件下的疲劳损伤演化,基于循环加载过程中的推进剂耗散能变化,利用能量耗散变化比对推进剂疲劳过程进行分析。通过4个应变幅值进行了单轴拉伸疲劳试验,得到不同应变幅值下NEPE推进剂疲劳寿命,并得到在不同加载周次下的耗散能。结果表明,这种能量法能够以直观的方式解释疲劳损伤过程中损伤的累计,在对数坐标下耗散能变化比的稳定值与疲劳寿命呈明显的线性关系,稳定值随初始加载应变幅值的增大而增加。当加载应变增大时,材料稳定段相邻加载间损伤累计越快,疲劳寿命相对减小,也解释了2次循环加载间损伤发展的原理。     

铝锂合金疲劳裂纹萌生寿命和短裂纹扩展抗力

综述了近期国内外铝锂合金疲劳裂纹萌生和短裂纹扩展行为的研究进展,包括铝锂合金的热处理、微观结构、微观形变行为等与疲劳裂纹萌生寿命、短裂纹扩展抗力的内在联系,较详细论述了裂尖屏蔽理论。作者还用自己有关铝锂合金疲劳短裂纹扩展方向效应和非扩展倾向的研究结果,对该类合金疲劳裂纹萌生寿命、短裂纹扩展抗力与疲劳寿命不对应作出了理论解释。     

基于裂纹形成及扩展的火炮闩体寿命研究

某自动武器定型试验实弹射击累计523 发时,静检发现闩体出现约1 mm 深裂纹,为了 判定损伤闩体剩余寿命是否满足使用要求,应用解析与数值模拟方法,对闩体裂纹形成阶段的寿命 和扩展阶段的寿命进行了分析计算。结果表明,在常温正装药条件下,考虑闩体实际加工表面粗糙 度对疲劳寿命的影响,计算总体寿命不小于1 650 发,可满足闩体的设计要求。同时,对闩体疲劳 裂纹形成的影响因素进行了分析,根据分析计算结果,采取了减小闩体局部表面粗糙度措施,使该 火炮闩体寿命提高到1 800 发以上。     

金属的疲劳性能与拉伸性能的关系

本文总结了疲劳极限、疲劳裂纹起始门槛值、裂纹扩展门槛值、应变疲劳寿命、疲劳裂纹起始寿命和裂纹扩展速率与拉伸性能间的定量表达式。最后提出了需要研究的课题。     

导弹贮箱的剩余寿命分析

根据断裂力学进行结构可靠性分析,利用现有的疲劳裂纹扩展数据或疲劳裂纹扩展试验的不完全数据,对疲劳裂纹扩展的可靠性进行研究,从而推算出剩余寿命。文中算例验证表明,该模型可作为工程应用的一些安全性评定的优先选择的方法和手段。     

HTPB推进剂复合型裂纹尖端变形场测量及破坏模式分析

为了实现端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂复合型裂纹尖端变形场测量及破坏模式分析,制作了含中心贯穿复合型裂纹的HTPB推进剂试件,进行了动态拉伸观察试验,获得了复合型裂纹的扩展特性,并通过数字图像相关方法(DIC)得到试件表面及裂纹尖端的应变场,对复合型裂纹尖端应变场特点及应变场与裂纹扩展规律的关系进行了研究。结果表明,复合型裂纹试件的拉伸过程可以分为线性段、非线性段和失效段三个阶段,裂纹沿与载荷垂直的方向扩展;数字图像相关方法采用大变形分析方法能有效解决试件大变形的问题,可以定量给出试件表面的应变场,且应变集中区域与理论结果吻合;复合型裂纹的扩展与应变场的变化密切相关,应变场在裂纹尖端产生应变集中,导致裂纹扩展。     

基于高速数字图像相关法的疲劳裂纹尖端位移应变场变化规律研究

应用高速摄像数字图像相关法研究了谐振式疲劳裂纹扩展试验中紧凑拉伸（CT）试件在高频正弦交变载荷作用下,裂纹稳态扩展阶段裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。采用数字化高速摄影设备采集系列正弦交变载荷作用下CT试件数字散斑图像,应用数字图像相关(DIC)法计算每幅图像裂纹尖端区域位移和应变场,对裂纹尖端区域特征点的位移、应变值采用最小二乘正弦拟合方法进行拟合,求出振幅、相位、平均载荷等特征量,将拟合出的应变或位移正弦曲线和所对应的系列散斑图像进行匹配,找到一个应力循环内特征位置的图像。使用动态高精度应变仪测量了CT试件在一个应力循环内裂纹尖端点应变值,试验结果表明,DIC应变测量最大误差为4.12%,验证了所提出DIC测量方法的可行性。在此基础上,进行了基于高速DIC方法的谐振式疲劳裂纹扩展试验,研究了疲劳裂纹未扩展时裂纹尖端应变幅值和疲劳循环次数的关系及疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。     

表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究

研究了高强度钢34CrNiMo6 的加工表面完整性对弯曲疲劳寿命的影响规律。疲劳试件的加工采用不同的切削参数,对加工表面完整性相异的试件进行疲劳试验。研究结果表明:残余应力是影响试件弯曲疲劳寿命的主要因素,残余压应力可获得高疲劳寿命;当表面粗糙度Ry >10 滋m 时,表面粗糙度对疲劳寿命的影响显著;加工硬化对高强度钢疲劳寿命有不利影响,疲劳寿命随表面硬度的增加而降低;采用小刀尖半径和低进给速度可提高高强度钢的疲劳寿命。     

Mg微合金化对4Cr3MoSiV模具钢热疲劳性能的影响

研究微量Mg对4Cr3Mo Si V模具钢热疲劳性能的影响。Mg具有抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界析出的作用,使基体析出细小均匀分布的碳化物颗粒,提高材料抗疲劳软化能力,阻碍热疲劳裂纹的萌生和扩展。但过量的Mg也促进碳化物颗粒长大,软化基体,加速热疲劳裂纹的扩展。试验表明:当Mg添加质量分数为0.001 4%时,碳化物颗粒细小无明显长大,对热疲劳寿命有利;但当Mg添加质量分数达到0.002 8%时,碳化物颗粒出现明显聚集长大的现象,基体软化严重,对热疲劳寿命不利。     

冷作模具钢DC53断裂性能研究

针对冷作模具钢DC53的断裂失效情况,开展断裂韧度及疲劳裂纹扩展试验,获得材料断裂性能参数。基于线弹性断裂力学理论,运用三维断裂分析软件FRANC3D模拟计算含有穿透型裂纹的标准紧凑拉伸CT试样的裂纹前缘应力强度因子,由Paris公式计算裂纹扩展寿命,并将理论计算、数值模拟和断裂力学试验进行对比研究。结果表明:数值模拟、理论计算以及试验得到的裂纹扩展寿命在16.7%的合理误差范围内。     

杂质及铈对亚纯2090合金疲劳性能的影响

研究了碱金属杂质及微量铈对用工业纯铝制备的亚纯2090合金疲劳寿命及疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,碱金属杂质含量增加,可使合金的疲劳特性变差。但添加约0.05％Ce,可改善含少量杂质的亚纯2090合金疲劳性能,尤其是当疲劳裂纹扩展初期,这种改善作用更为明显。