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.     

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。     

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明：损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。     

疲劳裂纹萌生机制

对于高强度钢和合金来讲,疲劳裂纹萌生是疲劳破坏的最重要组成部分。在高周次疲劳时,宏观裂纹萌生寿命(N_i)与裂纹扩展寿命(N_f)之比(N_i/N_f)大于90％,在低周次疲劳中N_i/N_f也大于50％。疲劳裂纹萌生与结构设计、材质、制造工艺及使用环境等因素有关。疲劳裂纹源的分析应包括力学分析、断口分析、金相分析和表面状态分析诸方面。确定裂纹萌生的性质、原因和条件是解决构件早期疲劳断裂的前提。     

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。     

用SQCE理论计算疲劳裂纹扩展速率及剩余寿命

对用奇异准谐调元理论进行疲劳裂纹扩展速率和剩余寿命的数值计算做了初步探讨，计算结果与实验结果完全吻合。因此，用ＳＱＣＥ理论计算实际结构的疲劳裂纹扩展速率和剩余寿命，可以达到节省时间，材料和经费的目的。     

身管内壁裂纹扩展特性及剩余寿命研究

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。     

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。     

中锰铸钢疲劳裂纹扩展行为研究

采用疲劳裂纹扩展速率试验方法中的紧凑拉伸试验 (CT试验 ) ,得到了中锰铸钢疲劳裂纹扩展速率的数学表达式 ;用 SEM和微区相结构测试技术分析了中锰铸钢在疲劳裂纹扩展过程中的行为特点。研究表明 ,中锰奥氏体铸钢在疲劳裂纹扩展过程中 ,裂纹尖端将由应变诱发奥氏体向马氏体转变并伴有相变塑性产生 ,从而延缓了裂纹的扩展速率     

装甲车体疲劳裂纹扩展寿命预测方法研究

以多体动力学和线弹性断裂力学为理论基础,基于虚拟样机技术,通过建立履带式装甲车辆的刚柔耦合模型并对其进行虚拟试验测试,获得车体薄弱部位的应力谱数据;结合裂纹形状尺寸及材料的断裂特性,预测出了车体裂纹从初始长度扩展至一定长度所经历的寿命里程,从而提出了一种比较实用的预测装甲车体疲劳裂纹扩展寿命的技术方法。     

铝硅合金热疲劳过程的研究

研究表明,铝硅类活塞合金热疲劳过程分为三个阶段:过渡阶段、稳定增长阶段和快速增长阶段。当热疲劳循环周次超过临界值N_C后,裂纹由萌生阶段发展到连续扩展阶段。微孔面积稳定增长速率b是衡量材料抗热疲劳性能的重要指标。     

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。     

基于DIC的塑性诱导疲劳裂纹闭合行为研究

预测变幅载荷作用下的结构寿命,需研究材料的疲劳裂纹闭合效应,确定材料疲劳扩展时张开载荷的变化规律。针对箭体管路结构中常用的0Cr18Ni9不锈钢,通过数字图像相关技术测试2 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板疲劳裂纹扩展时的张开载荷,获得张开载荷随裂纹长度、最大应力强度因子的变化关系;初步得到考虑塑性诱发裂纹闭合效应修正的Paris公式,为其在变幅载荷谱下的裂纹扩展行为预测奠定基础。     

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。     

微观结构对 Si_3N_4 材料静疲劳特性的影响

选择两种不同添加剂的Ｓｉ３Ｎ４材料，研究了微观结构对其静疲劳特性的影响。结果发现，两种材料在不同介质中的静疲劳特性一致，即裂纹扩展速率在水中最大，空气中次之，煤油中最小。但由于添加ＺｒＯ２的材料独特的微观结构，使其具有较高的断裂韧性，因而裂纹扩展抗力较大，在相同应力水平条件下，寿命较长。     

疲劳过程中沿晶裂纹萌生与扩展的机理

本文阐述了几种沿晶疲劳裂纹萌生与扩展的机制,试图从晶界结构、晶粒之间的形变不协调性和晶界与晶内滑移位错的交互作用等方面分析沿晶开裂的本质过程。     

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。     

用最大正应力法则确定层状复合材料中疲劳裂纹的扩展方向

针对层状复合材料中疲劳裂纹扩展的复杂路径,用最大正应力法则探讨了疲劳裂纹的扩展方向问题;并利用有效解决高梯度问题的数值方法--任意线法对实测试件进行了数值分析;所预测的裂纹扩展方向再与铝片构成的层状复合材料进行疲劳断裂实验的结果相对比,二者完全一致.这种一致性不仅初步证明了这一方法的正确性和适用性,并为疲劳裂纹扩展全过程的解决提供了必要的基础.     

镁合金疲劳行为与显微组织关系的研究进展

综述镁合金疲劳行为、疲劳性能与材料显微组织间的关系,重点对合金基体组织、第二相、孪晶、织构以及材料缺陷等显微组织对疲劳裂纹萌生和扩展的影响等方面的研究工作进行文献分析,在此基础上提出镁合金疲劳行为、疲劳性能与材料显微组织关系方面需研究的领域和方向,以便为抗疲劳镁合金的设计和制备、镁合金部件的结构可靠性分析等提供参考与借鉴。     

SiC_W/Al及SiC_P/Al复合材料疲劳研究进展

从循环变形特性、疲劳强度、疲劳微裂纹的萌生和长大、疲劳裂纹的扩展几个方面,总结了SiC_W/A1及SiC_P/A1复合材料疲劳研究的现状,指出了今后尚需开展的工作。