氧化铝涂层垂直裂纹对热载荷下界面失效的影响

目的探索氧化铝/铝在热载荷作用下的界面失效机理。方法基于内聚力有限元模型,预测热载荷下铝基氧化铝涂层材料界面处的残余热应力,并系统研究其失效过程。重点考虑涂层厚度、热载荷大小、预制涂层垂直裂纹密度对界面处应力场和界面损伤失效的影响,并同实验进行对比。结果试验和模拟结果都发现,加热到300℃冷却后,界面未产生平行裂纹,而加热到400℃冷却后,界面出现平行裂纹。涂层无裂纹缺陷时,界面处剪应力呈单曲线余弦分布,而有预制裂纹时,界面处的剪应力呈双曲线余弦分布。随着热载荷的增大,界面最大剪应力值由两端向界面中心处迁移。相比涂层有裂纹的情况,界面在涂层无裂纹时平均正应力最小。实际制备的氧化铝涂层不可能完美无裂纹缺陷,在考虑涂层有裂纹缺陷时,涂层裂纹密度为4 mm~(-1)时平均所受正应力较小,且界面只有拉应力作用,不容易产生脱层缺陷。结论存在特定的最佳临界预制垂直裂纹密度值,使得热载荷下界面损伤最小。有限元模拟结果也显示,相同热载荷和相同裂纹密度下,涂层越厚,对界面的防护力也越强。     

TGO及初始裂纹对热障涂层裂纹形核与扩展影响的有限元分析

针对热障涂层系统裂纹的形核位置变化与扩展失效过程及其机理,提出采用内聚力单元分析热氧化物（TGO）层/陶瓷（TC）层界面裂纹的形核位置及扩展,采用扩展有限元法分析TGO层厚度、粗糙度以及TC初始裂纹对新TC、TGO裂纹形核位置及扩展的影响。结果表明:TGO/TC界面承受热循环载荷后,界面裂纹首先出现在近波峰处同时向两侧扩展;在冷却过程中,随着TGO初始厚度增加,TC裂纹的形核位置由波峰转向近波峰处而裂纹扩展长度没有明显变化,TGO裂纹形核位置不变但裂纹长度明显增加;随着TGO粗糙度的不断减小,TC裂纹形核位置由近波峰向中部转移,而裂纹扩展长度没有明显变化。当粗糙度减小到一定程度,TC裂纹被抑制。而TGO裂纹的形核位置没有变化,但裂纹扩展长度随着TGO粗糙度减小而增大;初始横向TC裂纹越长,TGO裂纹也越长。近波峰与中部的初始竖直TC裂纹能有效地抑制新的TC裂纹形核与扩展。本研究为热障涂层微裂纹失效机理提供了理论支撑。     

基于内聚力单元与XFEM的热障涂层失效分析

为了更好的理解热障涂层的失效机理,文中运用ABAQUS有限元软件来分析热障涂层的失效情况,使用内聚力单元和扩展有限元（XFEM）两种方法研究热障涂层TGO界面开裂与陶瓷涂层（TC）和氧化层（TGO）内随机裂纹的萌生与扩展,研究竖直裂纹与水平裂纹的关系.结果表明,热障涂层TGO界面的开裂首先出现在TGO/TBC波谷处.陶瓷涂层和氧化层内随机裂纹的萌生同样发生在TGO/TBC波谷处.竖直裂纹的存在可以抑制水平裂纹的萌生与扩展,且其在TGO/TBC波谷处的扩展长度比在TGO/TBC波峰处的扩展长度更长,说明TGO/TBC波谷区域是个危险区域,在此区域容易引发裂纹的萌生与扩展.     

孔隙率对SiCp/AZ91D复合材料单轴压缩裂纹萌生及扩展的影响

使用内聚力模型及有限元分析方法,在含实际形貌SiC_p颗粒增强AZ91D镁基复合材料有限元模型中引入孔隙缺陷。分析不同孔隙率对SiC_p/AZ91D复合材料在单轴压缩情况下的裂纹萌生及扩展的影响。结果表明：无孔隙的SiC_p/AZ91D复合材料裂纹萌生在颗粒尖角与基体交界处,含孔隙的复合材料在基体孔隙以及颗粒尖角与基体交界处均会萌生裂纹,复合材料的孔隙率越高,其抗压强度和屈服强度越低,断裂裂纹长度越长,孔隙率的增加使得复合材料的裂纹萌生和断裂的时间提前,加速了复合材料裂纹萌生扩展直至断裂。     

金属基陶瓷涂层/钢基体界面裂纹的应力强度因子

将三点弯曲断裂力学试验与有限元分析(FEA)结合起来计算LX88A涂层与Q345钢界面裂纹的复应力强度因子.结果表明,对于三点弯曲试样,当发生界面断裂的临界载荷较小时,涂层试样的界面裂纹尖端附近存在K控制区,但K因子随临界载荷的增大,K因子控制区消失,发生失效的现象.对于三点弯曲试样,当临界载荷超过一定值时,线弹性断裂力学已经不能描述界面裂纹尖端场.因此,在后续研究中有必要使用弹塑性断裂力学和概率断裂力学对此类界面裂纹进行分析.     

高温蠕变下表面多裂纹扩展行为

文中将蠕变损伤模型编写到USDFLD用户子程序中,利用有限元分析软件ABAQUS,通过单元失效技术模拟了表面多裂纹干涉条件下裂纹扩展行为.探究了不同裂纹尺寸、残余应力对高温蠕变表面多裂纹干涉效应及裂纹扩展行为的影响.结果表明,表面裂纹形状比、裂纹深度的增大和裂纹间距离的减小,加强了表面多裂纹之间的干涉效应并促进多裂纹的扩展,而残余应力的存在同样加速了裂纹扩展.基于裂纹扩展速率提出了蠕变下表面多裂纹合并准则,即当蠕变干涉因子超过1.27,应当考虑多裂纹的合并,否则多裂纹仍按照单裂纹处理.     

热不匹配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响

本文采用扩展有限元方（XFEM）法研究了高温下热失配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响。结果表明在热失配应力的影响下,表面裂纹的位置、倾斜角度和长度对裂纹扩展的长度、能量释放率和裂尖的应力水平有着显著的影响;对于初始长度相同的裂纹,界面波谷处裂纹扩展长度最长,能量释放率最大;倾斜角度越大,裂纹扩张长度越短,应变能越大;裂纹初始长度越大,裂纹的扩展长度越长且扩展速率越快,能量释放率越大。存在多条表面裂纹的情况下其裂纹扩展相互影响。     

20CrMnMo钢渗碳重载齿轮表面裂纹分析

利用金相显微镜及扫描电子显微镜(SEM)等方法对20CrMnMo钢渗碳重载齿轮表面裂纹进行了分析,查找其裂纹起裂原因.结果表明,齿轮钢热处理不当造成其显微组织粗大是齿轮产生脆性沿晶开裂的主要原因.     

基于XFEM的异型坯表面裂纹扩展模拟研究

针对异型坯生产中出现较多表面裂纹的问题,在前期铸坯凝固过程热力行为研究基础上,提取凝固坯壳的温度与应力数据,使用扩展有限元方法,结合材料损伤力学、子模型技术模拟预制表面裂纹的扩展情况。研究结果表明:在裂纹尖端区域出现应力集中,应力值明显高于无裂纹位置;当应力集中区域最大主应力达到临界值时单元开裂,裂纹扩展。R角处预制纵裂纹扩展量最大,与拉坯方向呈75°、45°裂纹次之;预制表面横裂纹在沿横向扩展一个网格后扩展方向出现弯折,裂纹最终扩展方向均为沿纵向。     

钢在海水中阴极保护条件下的裂纹扩展特征SCIEI

研究了WFG362钢和A537CL1海洋平台用钢在海水中阴极保护下裂纹扩展的特征。实验结果表明:Ca,Mg沉淀物对裂纹扩展有阻碍作用,使裂纹扩展速率不再随ΔK单调上升,扩展速率曲线成V字型,在一定的ΔK值下扩展速率达到最小值。此外沉积物的作用也使最佳阴极保护电位区间发生了变化,-800—-900mV和-1100—-1500mV为海水中这种材料的最佳保护电位区间,-950—-1000mV范围内为十分有害的区间。     

表面微织构涂层-基体系统重载弹流润滑性能分析

目的研究表面涂层与织构化协同作用时摩擦副的重载弹流润滑性能,为重载传动的摩擦学设计提供参考。方法基于广义Reynolds方程、线弹性方程以及载荷平衡方程,建立表面微织构涂层-基体系统的弹流润滑模型,并无量纲化,然后运用Full-system有限元法编程求解,探讨涂层的弹性模量以及三角形织构深度、宽度、密度对系统弹流响应的影响。结果载荷一定时,薄膜涂层(2μm)的弹性模量变化(50～500 GPa)对油膜压力整体分布影响较小,但二次压力峰在硬质涂层上更为显著。在涂层与基体存在弹性模量差时,其上由微织构引起的集中应力是无涂层的2～3倍。最小油膜厚度随着涂层弹性模量的增大而增大。随着织构深度的增大(0～5μm),油膜压力和厚度波动更加明显,最小油膜厚度随之减小,系统最大等效应力也显著增大。当织构宽度增大(10～20μm)时,油膜压力和厚度波动减弱,最小油膜厚度先减小后增大。如果织构密度增大(0.5～2),油膜压力波动更为剧烈,油膜厚度波动变化不大,但其波动周期变化明显,最小油膜厚度先减小后增大。膜基界面最大剪应力出现在二次压力峰附近,织构化表面油膜压力波动越大,膜基界面剪应力波动也越大。结论存在一个最优的织构深度、宽度和密度,使得镀膜齿轮的承载能力最佳。合理的涂层选配和微织构设计,可以有效地提高齿轮的摩擦学性能,提前预防膜基系统失效。     

镍基合金环境致裂过程中裂尖微观力学特性分析

核电站一回路压力容器、管道及蒸汽发生器等设备和结构中广泛采用镍基合金和奥氏体不锈钢,而这些材料的环境致裂(EAC)却是核电结构的主要安全隐患之一。研究表明,核电高温高压水环境中镍基合金的EAC是裂尖氧化膜破裂和再生成的一个过程。为了深入了解镍基合金EAC裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,本文从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC裂尖氧化膜和基体金属区域的应力分布规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金EAC扩展速率精度奠定基础。     

浓度和温度对316L不锈钢在NaOH溶液中应力腐蚀开裂行为的影响

采用慢应变速率拉伸试验(简称SSRT),对316L不锈钢在高温NaOH溶液中的应力腐蚀开裂行为进行了试验研究,结果表明在较高温度下,316L不锈钢在低浓度的NaOH溶液中也具有明显的应力腐蚀开裂敏感性.     

Modeling and Experimental Studies of Peeling of Polymer Coating for Biodegradable Magnesium Alloy Stents

可降解镁合金支架（MAS）能够改善商用裸支架和药物洗脱支架的长期治疗效果。由于镁合金支架在人体内降解速度太快,限制了其对病变血管的支撑性能。保护性聚合物涂层为镁合金支架提供了一种降低腐蚀速度的有效方法。然而,聚合物涂层在支架扩张时出现的剥离现象是阻碍其运用的一大障碍。在本研究中,分别运用有限元方法和实验方法对一种优化设计的镁合金支架进行了聚合物涂层剥离问题的研究。首先通过90o剥离实验测试,为粘聚区有限元模型提供了临界能量释放率,以此为基础的90o剥离的模拟结果和实验结果吻合良好。运用可靠的粘聚区模型参数,支架-聚合物涂层有限元模型考察了支架在扩张过程中是否会发生涂层剥离现象。本研究为考察支架聚合物涂层剥离现象提供了一种简单可靠的方法,为改善可降解镁合金支架的聚合物涂层性能提出了相应的建议。     

石油用S135钻杆钢氢渗透与氢致滞后开裂行为

通过电化学渗氢技术与恒载荷拉伸试验方法,研究了不同充氢电流密度下S135钻杆用钢的氢扩散系数、试样中的可扩散氢浓度及其氢致开裂门槛应力。结果表明,S135钻杆用钢在0.5 mol/L H2SO4+0.25 g/L As2O3溶液中电化学充氢后的可扩散氢浓度C0与充氢电流密度的平方根i成正比,恒载荷条件下,氢致开裂门槛应力σHIC随可扩散氢浓度的对数lnC0的升高而下降。     

CO2气保焊条件下ZG20MnMo钢热影响区氢致裂纹的研究

用插销试验法研究了CO2气保焊条件下ZG20MnMo钢热影响区(HAZ)的氢致裂纹敏感性、裂纹形貌及产生裂纹的主要原因。结果表明：在不预热和16kJ／cm线能量条件下，ZG20MnMo钢热影响区的氢致裂纹敏感性很强，临界断裂应力(σcr)只有60MPa，D((σNT-σcr)／σNT，σNT，为无氢时的抗断强度)值高达96％。断口具有典型的氢致延迟裂纹特征，断口形貌与拘束应力水平有关。低应力水平条件下，断裂方式为冰糖状的沿晶(IG) 氢致准解理穿晶(QCHE)，而且出现较多沿晶界和板条界二次裂纹；高应力水平时，主要为冰糖状的IG，QCHE比例减少，而且QCHE中撕裂棱的塑性变形和二次裂纹都明显减少。氢致裂纹的产生主要与HAZ的淬硬程度高有关，近缝区形成粗大的马氏体组织，硬度值高达493HV，这种组织容易发生氢脆，氢脆指标I(I=801gHV-130(％))为85．2％，即使氢的含量很低，HAZ也会萌生裂纹并扩展。     

应力强度因子对镍基合金应力腐蚀开裂裂尖力学特性的影响

以紧凑拉伸试样为研究对象,通过加载不同大小的应力强度因子KI,用有限元方法研究了不同状态下SCC裂尖氧化膜和基体金属的应力分布规律。结果表明:裂尖区域氧化膜和基体金属对裂尖应力强度因子KI的变化敏感度不同;随着KI的增大,氧化膜破裂前和破裂后应力应变在裂尖区域的分布规律均发生了变化,该变化对裂纹扩展有一定的促进作用。     

316L不锈钢短接过早腐蚀开裂的机制与预防

分析了盐化工环境中316L不锈钢短接腐蚀裂纹的宏观特征、微观形貌及显微组织,研究了卤水介质参数及短接制造工艺对316L不锈钢腐蚀的影响。结果表明:短接过早失效的机制是点蚀和应力腐蚀开裂;短接点蚀主要由卤水高温以及高Cl-含量引起,焊接残余应力及卷曲加工应力的共同作用促进了短接的应力腐蚀开裂;用铸造成形代替焊接成形,并适当增加316L不锈钢的钼含量,有利于延长短接的使用寿命。