弯曲载荷下曲轴疲劳裂纹扩展数值模拟与分析

裂纹扩展规律是研究疲劳裂纹扩展寿命的重要内容。本文以具有复杂结构特征的内燃机曲轴为例,以曲轴实际的弯曲疲劳断口分析为基础,测量裂纹萌生区的几何特征作为曲轴裂纹体的仿真建模输入,采用有限元数值模拟计算萌生区裂纹前缘的应力强度因子,分析了由萌生至断裂过程中裂纹前缘形状比的变化规律。基于X射线应力法测量了曲轴裂纹区的残余应力分布状态,讨论了表面强化层对裂纹扩展的影响,最后给出了考虑表面处理的曲轴弯曲疲劳裂纹的扩展规律。     

高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹疲劳扩展规律的试验研穷

热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹的扩展严重威胁设备的安全运行,在疲劳载荷作用下堆焊层表面裂纹是否能穿过堆焊层与基体的交界面而向基体扩展的问题,受到工程界的高度关注。文中采用不锈钢堆焊层具有表面裂纹的平板试件,在MTS-880疲劳试验机上进行疲劳扩展试验,得到疲劳载荷作用下堆焊层表面裂纹的疲劳扩展规律。结果表明,在堆焊层与基材结合度较好的情况下,不锈钢堆焊层表面裂纹在疲劳载荷的作用下会穿过堆焊层与基体材料的交界面而进入基体材料,直至试板断裂;由试验结果得到表面裂纹的疲劳扩展速率。     

航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹扩展行为研究

材料的疲劳寿命由裂纹形成寿命和扩展寿命两部分组成。针对航空发动机涡轮盘用GH4133B合金,进行室温下不同应力比的疲劳裂纹扩展试验,测试疲劳裂纹扩展门槛值。Paris公式回归分析结果表明,裂纹扩展速率随应力强度因子和应力比的增大而增大,含门槛值的修正Paris公式能精确描述疲劳裂纹扩展行为。利用光学显微镜在线观测裂纹扩展路径,并利用扫描电镜考察试样断口微观形貌。结果发现,随应力强度因子增大,裂纹扩展路径由平直变得曲折。在疲劳裂纹萌生区、稳定扩展区和快速扩展区,断裂表面依次呈现为解理断裂、疲劳条带和沿晶韧窝混合断裂模式。基于断口反推理论反推载荷和裂纹扩展方程,结果表明,利用反推方程预测疲劳裂纹的扩展,可有效防范疲劳断裂的发生。     

高压输电导线微动疲劳断裂断口分析

在自制的微动疲劳试验设备上,对LGJ150/25型钢芯铝绞线,选取两组不同弯曲振幅进行微动疲劳断裂试验.对导线断口形貌进行对比及区域分析,试验结果表明,导线的断口表现为明显的疲劳断口特征,断口均可以划分为微动磨损裂纹源区、疲劳裂纹扩展区以及瞬时断裂区三区域.对三个区域进行仔细分析,认为导线的微动疲劳断裂是由于导线表面的微动磨损起裂、疲劳裂纹扩展及最后的瞬时过载引起的.     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹疲劳扩展规律的试验研究

热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹的扩展严重威胁设备的安全运行,在疲劳载荷作用下堆焊层表面裂纹是否能穿过堆焊层与基体的交界面而向基体扩展的问题,受到工程界的高度关注.文中采用不锈钢堆焊层具有表面裂纹的平板试件,在MTS-880疲劳试验机上进行疲劳扩展试验,得到疲劳载荷作用下堆焊层表面裂纹的疲劳扩展规律.结果表明,在堆焊层与基材结合度较好的情况下,不锈钢堆焊层表面裂纹在疲劳载荷的作用下会穿过堆焊层与基体材料的交界面而进入基体材料,直至试板断裂;由试验结果得到表面裂纹的疲劳扩展速率.     

回火温度对40Cr钢疲劳裂纹扩展的影响

本文采用三点弯曲压-压疲劳实验方法测量了40Cr钢不同温度回火后疲劳裂纹长度与循环周次的关系曲线。结果表明,低温回火后,40Cr钢在缺口处的起裂抗力高,一旦萌生了一定长度的疲劳裂纹,疲劳裂纹扩展速率明显高于高温回火和中温回火试样;随着回火温度的升高,40Cr钢在缺口处的起裂抗力减小,但疲劳裂纹扩展速率也减小。疲劳断口微观分析表面,在疲劳裂纹扩展初期,低温回火试样的疲劳断口表现出脆性疲劳纹特征,中温回火和高温回火试样主要是二次裂纹组成的疲劳纹,而且随着回火温度的升高,二次裂纹间距减小。在疲劳裂纹扩展中区和瞬断区,低温回火的疲劳断口主要为解理断裂和沿晶断裂特征,中温和高温回火的疲劳断口是以韧窝为主的韧性断裂特征。疲劳裂纹扩展机理的不同导致了疲劳裂纹扩展规律的变化。     

焊趾位置表面裂纹疲劳扩展形状计算

针对结构中出现的表面裂纹诱发断裂现象,利用断裂力学理论中裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展能量释放率的关系,依据裂纹扩展时裂纹前沿各点的有效能量释放率相等,在考虑裂纹闭合效应的基础上提出一种表面裂纹扩展形状演化计算方法。采用提出的方法计算了T型焊接结构焊趾位置表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下的表面裂纹形状参数函数关系,模拟出表面裂纹疲劳扩展时的形状演化过程。进行了T型焊接试件的表面裂纹扩展有限元模拟和试验,结果与理论计算结果基本一致,验证了基于能量释放率的结构表面裂纹疲劳扩展形状演化计算方法的有效性。     

受电弓疲劳裂纹扩展特性及寿命预测研究

通过有限元软件建立受电弓三维有限元模型,结合断裂分析软件Franc3D研究受电弓上框架尾部疲劳裂纹的扩展特性,并对常温、大气环境以及腐蚀环境下疲劳裂纹扩展寿命进行预测.结果 表明:当受电弓上框架尾部已产生2 mm的表面裂纹时,继续扩展至表面长度约为15 mm时将会穿透管壁;对于常温、大气环境,疲劳裂纹从2 mm的表面裂纹扩展为50 mm的穿透裂纹所对应的运行里程约为24万公里;在腐蚀环境下,表面裂纹扩展至相同长度对应的运行里程约为3.19万公里.     

不同应力比下U75V轨道钢疲劳裂纹扩展行为研究

对高速铁路常用轨道钢U75V进行了不同应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值测试和疲劳裂纹扩展试验。试验结果表明,应力比对U75V轨道钢的裂纹扩展行为有着显著影响。利用分级降载法测得的疲劳裂纹扩展门槛值随应力比的增大而减小,裂纹扩展速率随应力比的增大而增大。对裂纹断口微观形貌进行了细致观察分析,发现整个疲劳断口分布有凸条纹棱线。疲劳门槛值附近出现沿晶体学平面的穿晶小刻面;低扩展速率区凸条纹棱线平行排列,棱线方向与珠光体片层方向一致;高扩展速率区的棱线出现弯曲及碎裂,同时伴有解理断面及二次裂纹。     

球墨铸铁疲劳裂纹萌生及扩展机制的探讨

用电子显微断口分析和裂纹扩展途径的金相观察,探讨了不同珠光体和铁素体相对量的球墨铸铁的疲劳断裂机制,特别是疲劳裂纹萌生及早期扩展机制。结果表明：疲劳裂纹容易在石墨球和基体之间的界面萌生和扩展,石墨球边及基体中的次生裂纹对da/dN的影响有两重性。在疲劳裂纹萌生及早期扩展阶段,铁素体基本以周期解理和细条纹为主,珠光体基体为渗碳体解理和铁素体片上的疲劳条纹,80%珠光体球铁为上两种机制的混合。疲劳裂纹早期扩展速度为△K (th)所控制,疲劳裂纹孕育期N 0为σ s和△K (th)所控制。光棒或钝缺口下的N 0主要取决于σ s,尖锐缺口试样的N 0主要取决于△K (th)。在疲劳裂纹稳定扩展阶段,铁素体为疲劳条纹,珠光体为条纹与解理,80%珠光体中牛眼铁素体为条纹和晶间断。疲劳条纹的宽度能反映da/dN的变化,但两者往往不一致。疲劳裂纹快速扩展为条纹与静断特征混合,快速扩展速率受K (1c)的大小所控制。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。研究结果表明：在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,Ⅰ型疲劳裂纹尖端的位移、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

低载强化后汽车结构件疲劳裂纹扩展速度研究

为了从微观上揭示汽车结构件经过低载强化后疲劳强度和疲劳寿命提高的原因和机理,本文利用扫描电镜,对某汽车前轴低载强化前后试样断口的疲劳裂纹扩展速度进行了对比研究。研究结果表明,经过低载强化后的汽车结构件断口试样,其贝纹线的增长趋势减弱,疲劳辉度间距变小。这些微观变化有效地延缓了疲劳裂纹萌生,降低了疲劳裂纹扩展速率,使汽车结构件的疲劳强度和疲劳寿命都得到提高。     

疲劳近门槛值区裂纹扩展模式变化的试验研究

利用扫描电镜观察疲劳门槛值区试样的裂纹表面形貌,研究了疲劳门槛值区裂纹扩展模式的分布,分析了裂纹扩展模式的变化对疲劳裂纹扩展速率da／dN的影响。结果表明,断口形貌存在面型断裂（沿晶或穿晶）（Faceted Fracture,FF）,面型断裂分数（Percentageof Faceted Fracture,PFF）最大值出现在循环塑性区尺寸接近原始奥氏体晶粒直径时。通过比较循环塑性区尺寸与晶粒尺寸,随着应力强度因子幅值AK的降低,裂纹先以辉纹型模式扩展,在PFF达到最大值后,裂纹以晶体学模式扩展。辉纹型模式扩展时,PFF的变化对da／dN影响不大;晶体学模式扩展时,由于FF诱发裂纹闭合,从而降低da／dN。     

叶片疲劳应力幅的断口特征形貌判断

归纳总结了叶片疲劳断口的特征形貌。宏观疲劳断口的特征形貌主要有宏观疲劳源或疲劳源区的疲劳沟线、疲劳扩展距离、疲劳断口的粗糙度,微观疲劳断口的待征形貌主要有微观疲劳条带间隔、二次疲劳裂纹和韧窝形貌等。然后讨论了通过疲劳断口特征形貌的定性分析或定量分析诊断疲劳应力幅大小的可能性和值得注意的问题。     

基于累积损伤的渗碳齿轮钢疲劳寿命预测模型构建

采用轴向高频疲劳试验机进行超高周疲劳实验,研究了不同应力比(R=0和R=0.3)下渗碳齿轮钢疲劳特性。结果表明：在应力比为0和0.3时,渗碳齿轮钢的失效形式分为表面失效和内部失效。内部失效过程分为疲劳裂纹萌生阶段(夹杂-细颗粒区(fine granular area, FGA))、稳定扩展阶段(FGA-鱼眼)和瞬间断裂(鱼眼之外)。基于累积损伤法,建立了内部裂纹萌生和扩展阶段的疲劳寿命预测模型;最终建立了渗碳齿轮钢多应力比下的全寿命预测模型,预测精度较高。     

Ti-6Al-4V燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究

针对Ti-6Al-4V钛合金燕尾榫连接结构在不同载荷下的微动疲劳现象,采用榫形微动疲劳试验进行研究,并对裂纹萌生扩展、微动磨损及断口进行分析。结果表明,微动疲劳使构件疲劳寿命显著降低约70%;疲劳载荷对微动裂纹扩展的影响比对裂纹萌生的影响更大;微动疲劳裂纹起始于接触面边缘,与接触表面约成45°角,裂纹扩展到60~150μm后转向与接触表面垂直;微动疲劳断口形貌表面在微动磨损区具有多个裂纹源点,但只有一个主裂纹形成。     

球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制

研究了在恒幅拉伸循环载荷作用下球铁的疲劳裂纹扩展的微观机制，分析了石墨形态对铸铁疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明：铸铁的石墨形态对疲劳裂纹的萌生及扩展有很大影响。灰铁由于在共晶团内石墨片相互连接，疲劳裂纹总是沿着与外应力相垂直的石墨片／基体边界扩展。球铁的疲劳裂纹扩展受基体组织及石墨形态所左右，但在石墨球／基体界面产生的滑移带、塑性区及裂纹尖端钝化区决定着疲劳裂纹萌生及扩展的整个过程。球铁的疲劳裂纹扩展规律是：裂纹连续扩展—急速扩展—裂纹尖端钝化—重新诱发裂纹—连续扩展。