表面疲劳短裂纹在钱余应力场中的扩展

研究Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金表面短裂纹在喷丸残余应力场中的扩展行为。用扫描电中的疲劳加载装置对表面裂纺的事行为进行原位观察和测量。研究表明，表面短裂纹具有较穿透短裂纹更低的扩展门槛值，表面短裂纹的闭合与残余压应力场的大小和分布密切相关，残余应力场中的表面短裂纹扩展及开关变化完全可以通过其闭合行为的变化进行解释。     

表面形变强化层中裂纹的萌生与扩展

研究了缺口根部强化层中疲劳裂纹的萌生与扩展。结果表明疫劳性能的提高主要归因于喷丸引起的缺口根部残余压应力,其能提高裂纹的闭合力,延缓短裂纹的扩展速率,而对萌生的作用极微。工作应力低时可出现非扩展裂纹。在残余压应力场中长裂纹的扩展可用Newman改进模型进行计算。在残余压应力峰值位置出现最大闭合力和最小裂纹扩展速率,计算和实测值基本一致。     

疲劳短裂纹在残余应力场中的闭合和扩展

用压入法引入残压应力,以研究穿透短纹在残余应力听扩展规律。残余压力是通过提高裂纹闭合而提高裂纹扩和,此法不仅适用于长裂纹,也可延伸致短裂纹阶段,残余应力的引入不改变材料的本征门槛。     

近门坎区Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型过载对Ⅰ型疲劳裂纹扩展延滞的影响—2.延滞机制

报导了近门坎区Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型过载导致随后Ⅰ型裂纹扩展中闭合力，断裂表面粗糙度及裂纹尖端区域残余应力场变化的测试结果，分析讨论了影响裂纹扩展延滞的主要因素。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

耐热钢CrMoCoV表面裂纹疲劳扩展试验及考虑闭合效应的数值分析研究

表面裂纹是高温结构服役过程中的常见缺陷形式,研究其在疲劳载荷下的扩展行为和规律是结构完整性评价的重要内容。开展了耐热钢CrMoCoV(FB2钢)含表面裂纹试样的疲劳试验,基于Zencrack软件,并考虑闭合效应修正进行了表面裂纹疲劳扩展的数值分析。结果表明,考虑裂纹闭合效应的模型,可以用于表面裂纹疲劳扩展行为的预测。     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用研究

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面粘结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹形态特征及分布情况。实验结果表明：在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明：磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面黏结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹的形态特征及分布情况。实验结果表明:在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明:磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。     

循环压载下缺口旁疲劳裂纹扩展

对承受循环压载的缺口试件的疲劳问题进行了试验和理论研究。结果表明，疲劳裂纹是在残余拉应力和循环压应力作用下萌生和扩展的，压塑性变形是裂纹萌生和扩展和扩展的必要条件。循环压载下仍存在着裂纹张开和裂纹闭合，其机理与拉伸循环下不同。以试验中采用的ＬＹ１２ＣＡ材料边缺口试件为例，提出了考虑裂纹闭合效应的扩展率计算模型，结果与试验吻合得较好。     

16MnR钢过载峰作用下的疲劳裂纹扩展行为研究

基于有限元法和Jiang-Sehitoglu循环塑性本构模型,动态模拟单个过载峰作用下裂纹扩展中的裂纹闭合行为。提取不同加载工况下的裂纹闭合和张开载荷,并考察不同工况和不同裂纹长度对裂纹闭合和张开载荷的影响。根据详细的裂纹闭合分析结果,研究单个拉伸过载下疲劳裂纹在不同阶段的扩展行为与裂纹闭合的对应关系,认为过载后裂纹闭合行为的改变是引起裂纹扩展行为改变的主要机理。根据有限元分析结果,提出一种改进的等效应力强度因子范围的计算方法,将其作为疲劳裂纹在整个扩展过程中的驱动力。拟合出单个过载峰作用下16MnR材料的裂纹扩展速率的预测公式,并将预测结果与试验结果进行对比,结果吻合。     

重载铁路钢轨损伤行为分析

利用电感耦合等离子体光谱仪、硬度仪、光学显微镜和扫描电子显微镜等对现场重载铁路损伤钢轨进行各种微观测试分析,分析了重载钢轨的损伤机理。结果表明:重载钢轨中碳、硅、锰含量较高,这有利于提高钢轨强度、硬度和耐磨性;现场服役损伤钢轨的表面硬度明显高于新钢轨的表面硬度,其轨距角处和轨顶区硬度高于非接触区的硬度;现场服役钢轨和新钢轨试样均表现为残余压应力;疲劳裂纹主要在轨顶区表面萌生,扩展较深且扩展角度明显不同,疲劳裂纹扩展方式主要表现为穿晶和沿晶扩展,钢轨侧磨区几乎无疲劳裂纹存在;轨顶区域塑性变形严重,塑性区组织明显被拉长细化呈流线型,塑性层厚度与裂纹扩展深度大致相同。     

轴承套圈强化研磨表面残余应力试验研究

结合疲劳裂纹扩展原理,分析残余压应力对材料表面的疲劳裂纹扩展速率的影响。采用电磁无心夹具对轴承套圈进行定位,利用新型轴承强化研磨机对轴承套圈表面进行加工,基于X射线衍射法测定轴承套圈加工后的表面残余应力。试验结果表明,强化研磨加工使轴承套圈表面的残余压应力增大,提高工件服役可靠性。     

Initiation and propagation of surface cracks in rolling fatigue of high hardness steel

Surface cracks initiating flaking failure observed by Sugino in rolling fatigue were further studied.Surface crack initiation was influenced by either running or material conditions, affecting the residual tensile stress just below the rolling contact surface. The fatigue crack is thought to initiate very near the surface by the stress cycle of small tensile residual stress and large compressive contact stress. The amount and direction of the tensile residual stress due to rolling contact varies with the contact geometry, which probably determines the direction of the surface crack and the appearance of flaking. The transition from the surface crack to flaking failure or complete section fracture is material and running condition dependent and is explained by a fracture mechanics concept.     

42CrMo4钢疲劳裂纹扩展时的残余应力及其变化

对４２ＣＣｒＭｏ４钢质调质试样疲劳裂纹扩展时的表面残余应力测定表明，在裂纹尖端前方和裂纹两则一定范围生成残余应力，裂纹尖端处压应力最大。随着裂纹的扩展压应力范围增大，最大压应力增加，表明残余应力始终处于一动态再分布过程中，与裂纹尖端区域的塑性变形直接相联系。裂纹扩展时残余应力的真实分布状态，按理想模型已不能作出圆满描述。由于裂纹尖端塑性变形区较小，选用合适的Ｘ线光栅孔长测的残余应力较为真实。     

含半圆形埋藏裂纹金属构件脉冲放电时应力场分析

对纯弯曲载荷作用下含半圆形埋藏裂纹的金属构件在脉冲放电瞬间的应力场进行了理论分析,运用热传导、非定常热应力及汉克尔变换等理论,推导出应力场分布理论公式。由公式可知,在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,压应力场能有效地抑制裂纹的扩展。对脉冲放电前后的含半圆形埋藏裂纹构件进行了超声波检测实验,利用超声波对比法测得脉冲放电后构件裂尖应力值,该应力值有所增大。     

高速列车锻钢制动盘热疲劳裂纹耦合扩展特性研究

据制动盘裂纹剖面的宏观形貌,发现盘面长裂纹的形成以多条半椭圆表面裂纹连通为主。针对制动盘在运行过程中的典型运用工况,采用有限元法计算制动盘在300 km/h紧急制动后的热应力,发现周向残余应力较大,并以此推测周向残余应力是驱动制动盘热疲劳裂纹扩展的主要原因。在此基础上,建立制动盘盘面的裂纹网格,研究了裂纹扩展过程中的应力强度因子和多裂纹耦合扩展规律。通过研究发现对于给定的载荷条件,不同初始形状比时,裂纹前缘应力强度因子的分布规律存在一定的规律性,随着裂纹的扩展,裂纹形状趋于扁平化;多裂纹扩展时,裂纹间距越小,裂纹间的相互作用越明显,扩展速度越快;但受制动盘结构和尺寸限制,共线裂纹数越多,每条裂纹扩展到临界值时的应力强度因子越小。     

Numerical Calculation and Experimental Research on Residual Stresses in Precipitation-hardening Layer of NAK80 Steel for Shot Peening

Shot peening can improve fatigue strength of materials by creating compressive residual stress field in their surface layers,and offers a protection against crack initiation and propagation,corrosion,etc.And fatigue fracture and stress corrosion cracking of NAK80 steel parts are improved effectively.Currently there lacks in-depth research in which the beneficial effect of the residual stress may be offset by the surface damage associated with shot peening,especially in terms of the research on the effective control of shot peening intensity.In order to obtain the surface residual stress field of NAK80 steel after shot peening,the samples are shot peened by pneumatic shot peening machine with different rules.The residual stress in the precipitation-hardening layer of NAK80 steel is measured before and after a shot peening treatment by X-ray diffraction method.In order to obtain true residual stress field,integral compensation method is used to correct results.By setting up analytical model of the residual stress in the process of shot peening,the surface residual stress is calculated after shot peening,and mentioning the reason of errors occurred between calculated and experimental residual stresses,which is mainly caused by the measurement error of the shoot arc height.At the same time,micro hardness,microstructure and roughness in the precipitation-hardening layer of NAK80 steel before and after shot peening were measured and surveyed in order to obtain the relation between shot peening strength and surface quality in the precipitation-hardening layer.The results show that the surface quality of NAK80 steel is significantly improved by shot peening process.The over peening effect is produced when the shot peening intensity is too high,it is disadvantageous to improve sample’s surface integrity,and leading to reduce the fatigue life.When arc high value of optimal shot peening is 0.40 mm,the surface quality is the best,and the depth of residual stress in the precipitation-hardening layer reaches to about 450 μm.Numerical calculation is very useful to define the process parameters when a specific residual stress profile is intended,either to quantify the benefits on a specific property like fatigue life or to help on modeling a forming process like shot peen forming.In particular,the proposed parameter optimization in the progress of shot peening and effective control of the surface texture provide new rules for the quantitative evaluations of shot peening surface modification of NAK80 steel.