冶金型气孔对熔化焊接7020铝合金疲劳行为的影响

基于同步辐射X射线三维高精度原位成像技术,识别和统计出工艺稳定的激光复合焊接7020铝合金接头中的气孔数量、形貌、尺寸和空间分布特征,结合气孔统计数据结果和焊缝晶粒大小,定义了7020铝合金激光复合焊接头中影响接头疲劳性能的气孔临界尺寸。利用同步辐射X射线三维原位疲劳实验数据和疲劳断口形貌,探讨了疲劳试样裂纹源处气孔尺寸、应力和疲劳寿命之间的定量关系。同时,基于有限元仿真分析,研究了不同位置下气孔处的应力场状态。最后,通过疲劳裂纹扩展速率实验,揭示了气孔对疲劳裂纹萌生、扩展和试样瞬断的影响。研究结果表明,激光复合焊接头临界气孔尺寸可定为30 mm;同步辐射X射线成像和疲劳断口显示,较大的表面气孔和近表面的气孔较容易萌生疲劳裂纹。仿真研究也表明,气孔周围的应力集中程度随着气孔位置由表面向内部移动呈现出先增大后减小最后趋于稳定的趋势;疲劳裂纹扩展速率数据分布趋势表明,气孔对长裂纹扩展过程的影响较小,可忽略不计,但一般认为对裂纹前缘形貌有较大影响。     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。     

铝合金焊缝疲劳开裂的原位同步辐射X射线成像

基于第三代高精度同步辐射X射线三维成像技术,开展表面经抛光的铝合金光纤激光-脉冲电弧复合焊接头疲劳裂纹萌生和扩展的原位可视化研究.结果表明,疲劳裂纹均优先从样品(亚或次)表面或角(亚)表面上的焊接气孔处萌生和扩展,并呈现典型的I型表面半椭圆或四分之一椭圆(或圆形)裂纹形貌.一旦裂纹萌生,裂纹在表面的扩展速率低于内部,且存在局部加速和停滞现象,萌生源的特征长度越大,则裂纹萌生和扩展寿命越短,裂纹形貌为高度非线性的空间特征.此外基于经典Newman表面半椭圆形裂纹形貌预测结果与试验基本一致.     

16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢的疲劳性能与裂纹萌生

采用真空感应熔炼+真空自耗重熔(VIM+VAR)工艺制备16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢。测定了试验钢的疲劳极限和S-N曲线。通过观察断口,分析疲劳萌生类型和影响因素。结果表明:疲劳极限强度达到773 MPa,疲劳裂纹萌生于表面驻留滑移带、表面缺陷、近表面夹杂物和次表面夹杂物。表面驻留滑移带萌生疲劳裂纹占13%,表面缺陷萌生裂纹占33.3%,近表面夹杂物萌生占40%,次表面夹杂物萌生占13%。当疲劳裂纹萌生于内部夹杂物时,疲劳寿命随应力的增大而减小;在一定实际应力作用下,疲劳寿命随夹杂物尺寸的增大而减小。随着实际应力增加,疲劳裂纹萌生的夹杂物临界尺寸减小。     

超高周疲劳寿命预测方法探讨

分析了金属材料超高周疲劳断口形貌特征,介绍了基于Paris公式的裂纹扩展寿命预测模型和基于位错理论的疲劳裂纹萌生寿命预测模型,并结合前期有关金属材料超高周疲劳行为的试验数据,对2种预测模型的误差进行分析。结果表明,基于位错理论的寿命预测模型较为准确;而基于Paris公式的裂纹扩展寿命预测模型,其预测精度随着疲劳寿命的增加而降低,即材料组织缺陷萌生成为疲劳裂纹阶段占据疲劳寿命的绝大部分。在此基础上,提出了超高周疲劳寿命预测的研究方向:疲劳裂纹的萌生机制,特别是裂纹源表面萌生和内部萌生的竞争性机制;建立大样本数据,结合统计学方法,以工程构件的服役安全性和可靠性为基础,精确评价超高周疲劳寿命。     

1100MPa级高强钢的低周疲劳行为

研究了在对称应变控制条件下1100 MPa级调质态高强钢的低周疲劳性能,借助OM、SEM、TEM等手段对高强钢在低周疲劳载荷下的微观组织、断口形貌、裂纹扩展特性、夹杂物形态等进行了研究。结果表明,调质态1100 MPa高强钢具有优异的低周疲劳性能,主要有2个原因:一是由于夹杂物形态为近圆形,直径为2～5μm,低于夹杂物引起疲劳裂纹萌生的临界尺寸,裂纹萌生于试样表面,提高了疲劳裂纹萌生寿命;二是原奥氏体晶界、马氏体板条包/束界、夹杂物/孔洞都会诱导裂纹偏转,使裂纹走向曲折,降低了裂纹扩展速率,提高了疲劳裂纹扩展寿命。     

LC4CS铝合金的超高周疲劳寿命分布

采用超声高频疲劳试验机进行了LC4CS铝合金实验样本容量为66的超高周疲劳寿命实验.结果表明,超高周疲劳寿命具有双峰分布特征,这一特征与疲劳裂纹的萌生点有关:较短疲劳寿命的样品的裂纹萌生于夹杂等缺陷处,而较长疲劳寿命的样品的裂纹萌生于表面.寿命分布的双峰特征使得传统的升降法不能用于确定材料的超高周疲劳的条件疲劳极限,超高周疲劳寿命的分散性远大于低周和高周疲劳寿命的分散性.     

GH4169合金不同孔形气膜冷却孔疲劳性能对比分析

气膜冷却孔是航空航天高温部件常见冷却设计,但属于典型结构疲劳危险点。为了优化气膜冷却孔热-机械性能,本研究通过疲劳试验和有限元建模分析,研究GH4169合金相同底孔尺寸下的气膜冷却孔疲劳性能。研究表明：相同底孔直径下,90°圆孔疲劳寿命远低于倾斜圆孔、扇形孔和扇形后倾孔;相同孔倾角下,孔形对疲劳寿命影响较小;90°圆孔发生单断口疲劳断裂,断口与加载方向基本垂直,而倾斜圆孔、扇形孔、扇形后倾孔在孔根部附近发生疲劳断裂,断口向孔轴方向倾斜,除主断口外在孔根部均出现亚断口;90°圆孔断口疲劳裂纹在孔壁中间萌生,而倾斜圆孔和扇形孔疲劳裂纹在孔口部位萌生,且呈现多源萌生特征;裂纹萌生区平整光滑,随着裂纹扩展断口表面韧窝明显增多;孔轴倾角和孔口形状对孔周应力分布及最大应力水平具有显著影响。     

23CrNi3Mo钢钎具断裂失效分析

采用扫描电镜和光学显微镜观察了不同类型23CrNi3Mo钢钎具疲劳破坏缺陷试样断裂形貌及显微组织,分析讨论了缺陷试样失效的原因。结果表明,高疲劳寿命的阿特拉斯钎尾缺陷试样在疲劳源裂纹萌生、扩展过程中,塑性变形特征明显,表明其具有良好的抵抗疲劳裂纹扩展能力,而国内潜孔钻头试样脆性断裂特征明显。两种缺陷试样表面均为高硬度渗碳马氏体层,但阿特拉斯钎尾缺陷试样渗碳层与基体组织的下贝氏体过渡区域较宽,基体以贝氏体组织为主,硬度梯度过渡平缓,具有良好的强度与韧性匹配;而国内潜孔钻头试样的过渡区域较窄,基体是马氏体组织。可见合理的硬度梯度分布对钎具钢强韧性匹配和疲劳寿命影响很大。     

高温条件下NiCrMoV转子钢焊接接头的高周疲劳性能研究

通过应力比R=-1的拉压高周疲劳实验,研究了在370℃条件下汽轮机转子模拟件焊接接头的高周疲劳裂纹的萌生和扩展过程.通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)分析了疲劳断口的形貌特征和微区成分.研究结果表明:对于30Cr2Ni4MoV转子钢焊接接头而言,夹杂物主要成分为氧化物(Al2O3、CaO、MgO和SiO2等),疲劳裂纹往往萌生于夹杂物和气孔等内部缺陷.采用有效投影面积模型计算出母材和焊缝区域组织对应的临界缺陷尺寸,建立了夹杂物尺寸和疲劳裂纹萌生区域之间的关系.基于该研究结果,采取适当措施减少其内部的缺陷尺寸,并优化其形态和分布,以提高转子钢材料的抗疲劳性能.     

应力控制下06Cr19Ni10钢低周疲劳断裂特性的研究

通过06Cr19Ni10钢疲劳试验研究其应力控制下的低周疲劳断裂特性。由光滑试件疲劳试验得到其S-N曲线并拟合表达式,分析不同应力下应变、塑性应变能与疲劳寿命之间的关系。由缺口试件疲劳试验研究缺口深度及缺口角度对疲劳寿命的影响。对疲劳断口的宏观及微观形貌进行分析。结果表明:裂纹萌生于试件表面,应力及缺口参数影响断口形貌。     

含缺陷的TB6钛合金疲劳性能研究和强度评估

为研究航空钛合金TB6在服役过程中因制造缺陷、外物损伤等导致的疲劳失效,通过对光滑试样和含不同尺寸表面缺陷试样开展高周疲劳试验研究,分析了缺陷尺寸对试样高周疲劳性能的影响,并分别使用基于缺口敏感性的Peterson公式和基于断裂力学的修正Murakami疲劳极限预测公式评估带缺陷试样的疲劳极限。结果表明:缺陷会导致钛合金的疲劳性能下降,且下降程度随着缺陷尺寸的增加而增大;光滑试样裂纹萌生于试样表面且为单裂纹源,缺陷试样裂纹萌生于缺陷处且为多裂纹源;基于Peterson公式预测的疲劳极限偏差较大,而修正后的Murakami公式可较准确预测TB6钛合金缺陷试样的疲劳极限。     

喷丸表面粗糙度对疲劳寿命影响研究

为研究喷丸处理对铝合金表面粗糙度及其抗疲劳性能的影响,文章提出一种采用数值模拟计算表面粗糙度的方法。首先利用ABAQUS有限元软件建立多丸粒喷丸强化数值模型,将得到的残余应力结果与文献实验结果进行对比以验证该模型的准确性。然后选用轮廓最大高度Rz作为表面粗糙度参数,设计正交试验研究弹丸尺寸、冲击角度、冲击速度和弹丸数量对工件表面粗糙度的影响程度,进而分析喷丸表面粗糙度对应力集中系数和疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:四因素对Rz的影响程度依次为:弹丸直径冲击角度冲击速度弹丸数量。疲劳裂纹萌生寿命受表面粗糙度的影响,但两者间并非一一对应关系。应力集中系数由工件表面粗糙度和弹坑底部曲率半径共同影响,且两者呈反比关系,即应力集中系数越大,疲劳裂纹萌生寿命越短。     

TC4-DT钛合金电子束焊接接头疲劳断裂过程的原位观测

通过对TC4-DT钛合金焊接接头显微组织的观察和疲劳断裂过程的原位观测,分析了焊接接头的显微组织特征,研究了焊接接头的疲劳裂纹萌生与扩展行为.结果表明:TC4-DT焊接接头疲劳断裂于母材区,疲劳裂纹萌生于试样的边缘,裂纹既可以沿着初生α相扩展又能直接切过初生α相扩展,裂纹的萌生寿命占整个疲劳寿命的比例较大,裂纹的扩展寿命很短.     

A537钢在3.5%NaCl溶液中低周腐蚀疲劳的裂纹萌生

利用三电极技术研究了Ａ５３７低合金钢在３．５％ＮａＣｌ活化体系中的低周腐蚀疲劳的裂纹萌生行为．结果表明，应变速率越小，或者应变幅越大，裂纹萌生寿命越短；阳极极化和强阴极极化可以大大缩短裂纹萌生寿命，阴极保护条件下的裂纹萌生寿命与空气中的相似．裂纹主要在软的铁素体内萌生，然后穿过珠光体连接．剧烈的阳极溶解破坏了表面形变形貌，阴极析氢导致表面产生许多小裂纹．     

TC17合金超高周疲劳裂纹萌生机理

通过实验研究了2种频率(110 Hz和20 k Hz)循环载荷作用下航空发动机叶片材料TC17合金的超高周疲劳失效行为,分析了不同失效形式下的裂纹萌生机理。结果表明,TC17合金在2种实验载荷频率下均存在表面和内部萌生裂纹诱发疲劳失效2种失效形式,表面萌生裂纹诱发的疲劳失效主要是由加工缺陷和循环载荷作用下试样表面滑移处应力集中引起的横向裂纹所致,内部萌生裂纹诱发的疲劳失效是由循环载荷作用下材料初生α相的滑移断裂所致。失效机理的不同使得材料的应力-疲劳寿命(S-N)曲线呈双线性,载荷频率对TC17合金的裂纹萌生形式和萌生机理的影响不显著。建立了基于薄弱取向晶粒区域尺寸的疲劳强度预测模型,模型预测值与实验值吻合较好。     

硫和溶解氧含量对低合金钢高温高压水腐蚀疲劳性能的影响

试验研究了轻水堆核电站压力容器用低合金钢A533B在模拟核电高温高压水环境下的低周疲劳行为,具体为钢中硫含量和高温水中的溶解氧含量对钢疲劳寿命的影响和裂纹的萌生行为。结果表明,当硫含量小于0.015%(质量分数,下同),疲劳寿命随着硫含量的增加呈幂函数下降,当硫含量大于0.015%时,寿命趋于饱和;当硫含量较高时,疲劳裂纹为多裂纹源萌生,并且裂纹主要萌生于表面或者近表面含硫夹杂物;当溶解氧含量在0.05 mg/L至0.5 mg/L之间时,疲劳寿命随溶解氧的增加呈幂函数降低,当溶解氧含量大于0.5 mg/L和小于0.05 mg/L时,疲劳寿命趋于饱和;当溶解氧含量较高时,裂纹主要萌生于样品表面的点蚀坑;低溶解氧时,样品表面的腐蚀产物以Fe3O4为主,高溶解氧时腐蚀产物以Fe2O3为主。     

DD6单晶高温合金低周疲劳断裂特征的研究

对DD6单晶高温合金在高温低周(980℃、760℃)及疲劳/蠕变交互作用的断裂特征进行了研究。结果表明:DD6单晶高温合金高温低周疲劳断口往往呈多源开裂特征,裂纹萌生于试样的表面或亚表面,疲劳裂纹在刚萌生时沿着一定的小平面进行扩展,扩展区主要由垂直于裂纹扩展方向的疲劳条带和河流花样组成,瞬断区为类解理台阶形貌,裂纹扩展初期断口基本与主应力方向垂直,随着疲劳裂纹的扩展,断口呈现与主应力约成45°的平面特征;低周疲劳/蠕变交互作用的断裂特征与相同应变条件下低周疲劳断口总体形貌相似,但也一些不同之处,如断口整体氧化严重、疲劳扩展区面积明显减小。     

粉末冶金高温合金FGH97的低周疲劳断裂特征

研究了粉末冶金镍基高温合金FGH97在650℃,30—980 MPa,1 Hz实验条件下的低周疲劳断口的宏观及微观特征,裂纹源的类型及其形貌特征,以及裂纹源的位置、缺陷类型、形状和尺寸对低周疲劳寿命的影响.结果表明,在本次实验条件下该合金的低周疲劳寿命均超过了5000 cyc;统计得出,低周疲劳断口裂纹源在表面的试样占23%,在亚表面的占47%,在试样内部的占30%;裂纹源分平台、粉末颗粒、夹杂物3种类型,其中平台类型约占5%,粉末颗粒间断裂占15%,夹杂物占80%.由统计分析和计算得出,不同类型裂纹源对疲劳寿命的影响程度不同:夹杂物最严重,其次为异常粉末颗粒,再次为局部塑性变形.     

TiAl低压涡轮叶片室温振动疲劳行为研究

基于TiAl低压涡轮叶片夹持榫头室温振动疲劳试验结果,分析总结TiAl低压涡轮叶片室温振动疲劳的行为特点。结果表明:叶片存在两种断裂位置,大多数叶片由榫槽底部高应力截面断裂,个别叶片由叶身铸造缺陷处断裂;叶片室温振动疲劳寿命具有较大分散性,疲劳寿命主要取决于裂纹萌生阶段的贡献,试验应力水平下叶片粗大的片层组织的尺寸、数量和分布位置会显著影响疲劳寿命,并增加疲劳寿命的分散性;叶片室温疲劳具有较高的缺陷敏感性,叶身排气边亚表面存在尺寸约0.4 mm的Al₂O₃、Y₂O₃铸造夹渣,改变了叶片的断裂位置和起源方式,形成亚表面铸造缺陷起源,并在源区附近出现沿晶断裂和光滑刻面特征,沿晶特征与等轴晶粒对应。