不同应力比下Cu/WCp复合材料疲劳裂纹扩展行为及影响机制分析

通过粉末冶金工艺制备了一种高压电触头用Cu/WCp颗粒增强复合材料。研究了不同应力比下Cu/WCp颗粒增强复合材料的疲劳裂纹扩展行为,并结合裂纹闭合模型和两参数驱动力模型分析了应力比对Cu/WCp颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展速率的影响机制。研究结果表明:随着应力比R的增大裂纹扩展速率增大,尤其在近门槛值附近裂纹扩展速率差别最明显。裂纹闭合模型和两参数驱动力模型均可以较好地将不同应力比R下(da/d N-ΔK)关系曲线关联起来,且两参数驱动力模型的相关性更好。这说明导致不同应力比R下Cu/WCp颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展速率差异的原因主要是Kmax引起裂纹尖端单调损伤,其次是裂纹闭合效应。根据SEM断口分析发现高应力比的断面较低应力比的粗糙,低应力比时断口以基体撕裂为主而高应力比时以颗粒基体脱粘为主。     

30Cr1Mo1V钢汽轮机转子高应力段的疲劳裂纹扩展速率

在某已服役了16 a的30Cr1Mo1V钢汽轮机转子的高应力段取样制作成紧凑拉伸试样,用MTS 810.50试验机进行室温和538℃下的疲劳裂纹扩展速率试验。结果表明：该钢疲劳裂纹稳定扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率适用于Paris公式,室温下的疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=2.2101×10-8（ΔK）2.9163,538℃下的疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=9.8794×10-8（ΔK）2.6844;对于30Cr1Mo1V转子钢,温度升高,疲劳裂纹扩展速率加快;30Cr1Mo1V转子钢在疲劳裂纹稳定扩展阶段存在转折点,将该阶段又细分为两段,经过转折点后疲劳裂纹扩展速率的增速减慢;与原始材料相比,已服役16 a的30Cr1Mo1V钢汽轮机转子高应力段材料的疲劳裂纹扩展速率增大。     

挤压AZ31B镁合金圆棒不同取向的疲劳裂纹扩展

使用紧凑拉伸(CT)试样,研究了挤压AZ31B镁合金圆棒三个方向的组织及疲劳裂纹扩展性能。结果表明,疲劳裂纹以穿晶为主的混合方式沿滑移带扩展。T-L方向裂纹呈直线扩展,扩展速率最高,T-R方向孪生和滑移协同塑性变形,裂纹局部偏转,呈波浪形沿径向扩展,扩展速率较低,强织构和不均匀组织引起L-T方向裂纹分叉和偏离,降低了裂纹尖端有效驱动应力强度因子幅,裂纹扩展速率最低,在疲劳裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子幅(ΔK)的关系曲线上出现水平段。在ΔK较小时加载频率对裂纹扩展速率的影响不大,ΔK>3 MPa m时裂纹扩展速率随着加载频率的提高而减小。     

TNM-Ti Al合金室温高周疲劳性能研究

采用升降法与成组法对TNM-TiAl合金试样进行了应力比R=-1的室温拉压疲劳和R=0.1的室温拉伸疲劳试验，得到TNM-TiAl合金的P-S-N曲线，并对断口进行了分析。结果表明:TNM-TiAl合金对应力十分敏感，R=-1和R=0.1时的曲线整体呈较为平直的斜线，R=-1时的疲劳极限为414.7 MPa,R=0.1时的疲劳极限为285.6 MPa。R=0.1的S-N曲线远低于R=-1的S-N曲线;R=-1时，应力幅与疲劳寿命的关系满足Basquin方程。疲劳试件宏观断口较为粗糙，静态拉伸宏观断口平整，两者差异较大。拉伸断口整体分为裂纹萌生区与扩展区，其中起裂源均位于试样表面或板状试件的边角棱线处，起裂源区域包括γ相的解理断裂面、片层团的沿层解理面以及β₀相平整的穿晶断裂平面等特征。疲劳断口整体分为裂纹萌生区、扩展区与瞬断区，其中裂纹萌生区分为表面沿层起裂和γ相起裂。TNM-TiAl合金的疲劳断裂为脆性断裂，主要体现在扩展区上大量的片层团穿层断裂、扭折撕裂、γ相解理断裂和β₀相穿晶断裂。同寿命量级下，R=-1的断口与R=0.1的断口断裂类型...     

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的 揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法 采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果 在相同的?K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lg C呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论 应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。     

14MnNbq焊接桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为研究

该文系统地研究了14MnNbq桥梁钢焊接热影响区的疲劳裂纹扩展行为。首先,由中心穿透裂纹(MT)试样疲劳裂纹扩展试验,获得了不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率和门槛值;然后考察了应力比R的影响,给出了适于不同应力比的疲劳裂纹扩展速率和门槛值的一般表达式;最后提出了一种由疲劳裂纹扩展门槛值▽Kth确定闭合参数U的新方法,将控制疲劳裂纹扩展的有效应力强度因子幅度写为▽Keff=▽K-▽Kth,由此讨论闭合参数U的确定方法。研究结果表明:对于14MnNbq焊接桥梁钢,该文给出的疲劳裂纹扩展速率表达式与试验结果符合得相当好。     

自回火对重轨钢疲劳裂纹扩展行为的影响

针对重轨钢在线淬火后自回火造成的抗疲劳裂纹扩展能力降低的问题,在淬火冷速分别为3℃/s、5℃/s、8℃/s,终冷温度为450℃条件下,研究了自回火对重轨钢疲劳裂纹扩展行为的影响,测算了疲劳裂纹扩展速率的Paris公式,采用扫描电镜及硬度计分别对自回火后钢轨的疲劳断口进行观察及硬度测试.结果表明:经过自回火后,钢轨的疲劳裂纹扩展速率增快、硬度降低,且自回火之前钢轨的淬火冷速越大,自回火后其硬度降低越显著,硬度的降低增加了裂纹扩展的可能性;自回火后钢轨在Ⅰ区的疲劳裂纹扩展速率远大于直接淬火试样,使钢轨疲劳裂纹扩展的整体进程缩短,这是疲劳裂纹扩展速率增快的重要原因.不同淬火冷速后的自回火试样在应力强度因子范围 ΔK(ΔK=Kmax-Kmin)为10 MPa·m1/2时,断口的疲劳辉纹、解理面和二次裂纹较少,河流花样数量较多、面积小、沟壑浅,而在ΔK=13.5 MPa·m1/2时,断口的疲劳辉纹间距增大,解理面和二次裂纹较多,河流花样数量增多、面积增大,疲劳裂纹扩展速率da/dN较快.     

喷射成形GH738合金的疲劳裂纹扩展行为

进行了不同温度、频率和应力比条件下喷射成形GH738合金紧凑拉伸(CT)试样的疲劳裂纹扩展试验,分析了相应条件下的疲劳裂纹扩展速率及其对疲劳裂纹扩展行为的影响规律。结果表明:随着温度的升高,裂纹扩展速率略有加快;加载频率降低,疲劳裂纹扩展加速;裂纹扩展速率da/d N随应力比R的增大而增大。疲劳断口呈现多裂纹源特征,裂纹稳定扩展为疲劳条带机制。     

微观组织对贝氏体钢疲劳裂纹扩展行为的影响

为了研究组织对疲劳裂纹扩展行为的影响,对3种不同贝氏体组织钢进行了疲劳裂纹扩展实验,并采用SEM和EBSD等方法对裂纹进行了分析.结果表明,板条贝氏体组织在近门槛区和稳定扩展区阻碍裂纹扩展的能力最强,具有最小的裂纹扩展速率.板条贝氏体组织中的大角度晶界使裂纹更容易发生偏折,导致断口表面粗糙度增加,裂纹扩展受到较强的粗糙度诱导裂纹闭合效应的作用.随着ΔK的增大,塑性诱导裂纹闭合效应取代粗糙度诱导裂纹闭合效应开始占据主导作用,是板条贝氏体组织中裂纹扩展速率对ΔK的变化较敏感的原因.     

用直流电压降法研究高温下GH3230合金的疲劳裂纹扩展行为

采用直流电压降法对GH3230合金进行了高温下的疲劳裂纹扩展试验,分析了温度及应力强度因子对GH3230合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并利用扫描电子显微镜对断口进行分析。结果表明：在相同的应力强度因子下,随着温度的升高,合金的裂纹扩展速率增大;温度从750℃升高到850℃时,裂纹扩展速率明显增大,从850℃升高到950℃时,小应力强度因子下的裂纹扩展速率相差不大,随着应力强度因子的增大和温度的升高,裂纹扩展速率的差距增大;观察断口表面可知,在裂纹扩展区和瞬断区,断口表面呈现典型的疲劳辉纹和韧窝特征,随着温度的升高,断口表面的氧化物颗粒增多,裂纹扩展区的疲劳辉纹不明显。     

应力幅对退火态Mg-3Al-2Sc合金疲劳行为的影响

在不同应力幅下对退火处理后的Mg-3Al-2Sc合金进行应力控制的疲劳实验,研究应力幅对合金的裂纹扩展行为和断裂机制的影响。结果表明:在12～75MPa应力范围内,当控制应力比为0.2,随着应力幅增加,裂纹扩展速率增加,Mg-3Al-2Sc合金的疲劳断裂寿命降低。在裂纹萌生区合金主要表现为解理断裂机制,进入裂纹稳定扩展阶段的疲劳断裂主要为准解理断裂。而在瞬断区,低应力幅时主要表现为准解理断裂,高应力幅时主要表现为微孔聚合断裂。     

颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和扩展行为的影响

通过原位扫描电子显微镜(SEM)研究了粉末冶金制备的Cu/WCp复合材料的疲劳裂纹萌生和扩展行为,分析了颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和早期扩展行为的影响。结果表明:疲劳微裂纹萌生于WCp颗粒和基体Cu的界面;微裂纹之间相互连接并形成主裂纹,当主裂纹和颗粒相遇时裂纹沿着颗粒界面扩展。在低应力强度因子幅ΔK区域疲劳小裂纹具有明显的"异常现象",并占据了全寿命的71%左右。疲劳小裂纹的早期扩展阶段易受局部微观结构和颗粒WCp的影响,扩展速率波动性较大,随机性较强;当小裂纹长度超过150μm时,裂纹扩展加快直至试样快速断裂。裂纹偏折、分叉和塑性尾迹降低了疲劳裂纹扩展速率,而颗粒界面脱粘则提高了复合材料的疲劳裂纹扩展速率。通过数值模拟也可以发现颗粒脱粘增大了材料的疲劳扩展驱动力,从而提高了疲劳裂纹扩展速率。     

温度和应力比对航空铝合金疲劳裂纹扩展规律的影响及其机理

针对7475-T761航空铝合金中心开裂(MT)试样进行了不同温度、不同应力比条件下的一系列疲劳裂纹扩展试验,得到了相应试验条件下的疲劳裂纹扩展数据与规律,讨论了应力比、环境温度对疲劳裂纹扩展行为的影响,并利用扫描电镜(SEM)观测分析了疲劳断口。结果表明:7475-T761铝合金疲劳裂纹扩展速率随应力比、温度的增加而增加;消除裂纹闭合效应影响后,相同温度不同应力比下的da/dN-ΔKeff可由同一拟合公式描述;高温时弹性模量和材料抗拉强度的下降以及裂纹表面氧化导致裂纹扩展速率较快;对比不同条件下稳定扩展区疲劳条带宽度验证了试验分析结论。     

当量加速腐蚀条件下7B04-T6高强度铝合金疲劳裂纹扩展规律研究

基于编制的机场环境加速试验谱,针对关键结构高强度铝合金件进行当量腐蚀试验,在实验室条件下成功地模拟和再现了服役环境条件的腐蚀损伤,借助复型法观测得到了腐蚀损伤的演化规律;通过预腐蚀疲劳试验和疲劳断口扫描电镜定量分析,得到了裂纹长度a与循环次数N数据集,分析了裂纹扩展速率da/d N与应力强度因子幅值ΔK的对应关系,定量表征了不同程度腐蚀损伤对疲劳裂纹扩展行为的影响规律.结果表明,在腐蚀初期,疲劳裂纹扩展过程中有经典的小裂纹扩展阶段;随着腐蚀损伤的加重,小裂纹行为不明显;腐蚀损伤越严重,疲劳裂纹扩展速率越快,结构抗疲劳性能显著退化.     

MB8镁合金高周疲劳实验研究

采用升降法对MB8镁合金室温高周疲劳行为进行实验研究。结果表明:利用升降法计算出MB8镁合金在应力比R=0.1,循环基数为107条件下的疲劳强度为90.2MPa,相当于其抗拉强度的34%左右;合金的疲劳裂纹萌生于试样表面,裂纹扩展区由小的平面状断面组成,没有明显的疲劳辉纹存在,合金疲劳断口呈现韧性断裂特征。     

YB-DM-10航空定向有机玻璃疲劳裂纹扩展性能

通过研究定向有机玻璃(YB-DM-10)疲劳裂纹扩展性能,得到该种定向有机玻璃疲劳断裂阈值。发现其疲劳裂纹扩展速率曲线遵循Pairs公式以及Walker公式。研究平面内不同角度、不同频率和应力比对疲劳裂纹扩展的影响;通过对比Paris公式以及Walker公式的回归系数以及断裂表面不同阶段的扫描图像,分析不同参数对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:材料板材平面内,不同切割角度的试样疲劳裂纹扩展速率基本相同;加载频率对疲劳裂纹扩展速率影响不大,但在da/d N-ΔK曲线的第三阶段,数据有分离的趋势;相同的ΔK情况下,应力比增大,疲劳裂纹扩展速率增加。本工作结果为该种定向有机玻璃的应用以及航空座舱透明件损伤容限性能研究奠定了基础。     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明:对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

陶瓷基复合材料疲劳特性的研究

应用相变增韧、相变-晶须复合及相变-颗粒复合三种方式来改善氧化铝陶瓷的力学性能,研究了陶瓷基复合材料的疲劳特性。 在循环压缩载荷作用下,陶瓷材料的应力集中处(如缺口)会产生垂直于压应力轴的疲劳裂纹,随循环周次的增加,裂纹的扩展由快到慢,最终完全停止。循环压缩疲劳裂纹的形成机理是较大的应力集中使材料内出现以微裂纹为主要形式的不可逆损伤,在随后的卸载过程中,不可逆损伤区产生很高的残余拉应力,使疲劳裂纹形核并逐渐扩展。 陶瓷材料在四点弯曲循环载荷作用下,疲劳裂纹具有较长的亚临界扩展过程。裂纹护展速率与循环载荷的最大应力强度因子K_(max)及应力强度因子幅度△K都有关,且随载荷频率的降低及载荷波形由三角波变为正弦波,裂纹扩展速率增加。陶瓷材料四点弯曲疲劳裂纹的亚临界扩展是材料内损伤逐渐累积的结果。疲劳过程中材料通过形成微裂纹及裂纹分叉、克服增强物的阻碍及裂纹表面的桥接与互锁作用、产生裂尖微区内的塑性变形及部分稳定ZrO_2的相变等方式来消耗能量,在材料内造成以微裂纹为主要形式的微观损伤,从而弱化了材料,使疲劳裂纹得以亚临界扩展。 陶瓷材料在1050℃高温下的强度约为其室温强度的一半。陶瓷材料的高温循环疲劳是高温静载效应与循环载荷效应的迭加,1050℃下,循     

6061-T6 铝合金激光焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展

目的研究6061-T6铝合金激光焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展特性,并分析裂纹扩展的影响因素。方法利用光纤激光器,焊接尺寸为150 mm×100 mm×4 mm(焊接方向、横向、熔深方向)的6061-T6铝合金,采用SE(B)三点弯曲疲劳裂纹扩展试验并利用连续降K法,分别在空气和人工海水中进行疲劳裂纹扩展试验,通过使用金相显微镜(OE)和扫描电子显微镜(SEM),对金相结构进行观测分析。结果同样工艺参数的焊接接头,在海水中疲劳裂纹门槛值(4.063 016 MPa·m~(0.5))大于空气中的门槛值(3.479 166 MPa·m~(0.5));在疲劳裂纹扩展中速区(da/dN10~(-5) mm/cycle)时,海水焊接接头疲劳裂纹扩展速率大于空气中的,低速区(da/d N10~(-5) mm/cycle)则小于在空气中的。结论成形良好的焊缝、晶粒细小的焊缝组织有助于接头疲劳裂纹扩展性能的提高;中速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏大,主要是由腐蚀条件下焊缝裂纹尖端阳极溶解和交变载荷共同作用导致;低速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏小,主要原因是腐蚀产物堆积于疲劳裂纹扩展尖端,产生较强裂纹闭合效应。     

陶瓷基复合材料在循环压应力条件下的疲劳研究

本文对ＳｉＣ颗粒及部分稳定ＺｒＯ２复合增强Ａｌ２Ｏ３基陶瓷材料在循环压载荷作用下的疲劳特性进行了研究。带有缺口的试样在循环压应力的作用下，缺口根部将产生一条垂直于压应力轴的疲劳裂纹。压应力在缺口根部产生的局部不可逆损伤在卸载过程中会形成较大的残余拉应力，这使得裂纹形核并逐渐长大。而随着裂纹的长大，闭合效应逐渐增加，最终导致裂纹扩展完全停止。试样缺口长度和疲劳试验参数对裂纹的扩展速度和最终长度有较大