石油钻杆材料G105在不同条件下的疲劳断裂

采用国产PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机研究钻杆管体材料G105的弯曲疲劳性能以及H_2S腐蚀和缺口对试样弯曲疲劳性能的影响,利用金相显微镜和扫描电子显微镜对光滑试样断口、缺口试样断口以及H_2S腐蚀后试样断口进行微观形貌分析。结果表明:在光滑试样的疲劳极限载荷作用下,经过H_2S腐蚀后的光滑试样的疲劳寿命和缺口试样的疲劳寿命相当,材料的疲劳寿命都从106降低至104;缺口试样在缺口的高应力集中效应下,加快疲劳裂纹形核过程。H_2S腐蚀对钻杆疲劳性能影响的主要作用在于氢原子在材料内缺陷处聚集引起材料疲劳性能降低,缺口和H_2S腐蚀都会加快疲劳裂纹的扩展。材料疲劳断裂主要是因为试样在交变应力的作用下上产生滑移最后致使位错塞积而导致的。     

镍基单晶合金中温疲劳性能应力集中敏感性

疲劳是涡轮叶片的一种主要失效模式.本文开展了DD11单晶合金在650℃中温条件下2种应力集中系数(K_t=1(光滑状态)、K_t=3(缺口状态))的旋转弯曲疲劳性能研究,对比了2种应力集中系数下的疲劳强度,并开展了相关断口分析.结果表明:应力集中系数由K_t=1增大到K_t=3时,疲劳极限由446 MPa降低为311 MPa,说明DD11单晶合金疲劳性能存在应力集中敏感性;疲劳寿命由10~5提高到10~7时,光滑状态由600 MPa降低为420 MPa,疲劳强度降低幅度为180 MPa,而缺口状态由370 MPa降低为290 MPa,降低幅度为80 MPa,说明应力集中条件下DD11单晶合金的疲劳寿命对于外载变化较敏感.断口分析表明,光滑试样断口(应力500 MPa/疲劳寿命9.7×10~5)由几个相交的光滑晶体学平面组成,疲劳源萌生在距表面100μm左右的铸造孔洞;缺口试样断口(应力340 MPa/疲劳寿命8.1×10~5试样)呈平面状,与应力轴垂直,为多源疲劳模式,疲劳源观察到小刻面,在加工刀痕不连续位置萌生.     

缺口应力集中系数对TC4 ELI合金低周疲劳性能的影响

研究了缺口应力集中系数不同的深海潜水器耐压壳用TC4 ELI(Extra-low-interstitial)合金板材在恒总应变幅控制下的低周疲劳行为。结果表明,在应变幅较低(0.7%以下)和应变幅较高(0.8%和0.9%)条件下的光滑试样在循环初期分别发生了循环硬化和循环软化,而缺口试样在0.2%～0.7%应变幅条件下的循环初期均发生了循环硬化。通过循环载荷作用下材料滞回能的变化描述了TC4 ELI合金试样低周疲劳的损伤程度,得到了缺口应力集中系数与低周疲劳性能参数之间的关系,建立了相对裂纹萌生寿命预测模型。利用该模型能较好地预测缺口应力集中系数较低的TC4 ELI合金在高应变幅条件下的相对疲劳裂纹萌生寿命。     

17-4PH末级长叶片叶根的疲劳强度与缺口效应

采用成组法和升降法开展了室温某17-4PH末级长叶片叶根纵、横方向光滑与缺口试样的疲劳试验,获得了两个方向上材料的S-N曲线,并对典型疲劳断裂试样进行了断口宏微观形貌观察。结果表明:叶片叶根纵、横方向的疲劳强度基本一致,在长寿命区,纵向疲劳强度略高于横向;光滑试样的疲劳断裂主要呈现单裂纹源特征,而缺口试样呈现多裂纹源汇聚的断裂形貌。结合试样缺口根部的弹塑性应变分析,进一步讨论了叶片叶根纵、横方向的疲劳缺口效应。     

变形高温合金缺口试样静蠕变和循环蠕变断口分析

本文对GH33,GH37和GH49三种变形高温合金的缺口静蠕变和缺口循环蠕变的断样断口进行了观察和分析。结果表明,GH33合金的缺口循环蠕变断口与缺口静蠕变断口相比,除存在编变空洞之外,还存在大量的滑移线和疲劳条纹,二次裂纹明显增多,沿晶界链状碳化物明显长大并连接成裂纹,而原来在缺口静蠕变下的三叉点裂纹消失。GH37合金的断口上存在大量的蠕变空洞。与缺口静蠕变相比,缺口循环的蠕变空洞明显长大,晶界氧化加剧,二次裂纹增加,但疲劳条纹明显减少。GH49合金在缺口循环蠕变时的断口,蠕变空洞和晶界氧化也远比缺口静蠕变时的严重得多,其二次裂纹也严重得多,但除在个别区域发现少量的滑移线外,未见疲劳条纹。本文还就所观察到的结果对循环加载大大降低缺口试样蠕变断裂寿命的实质进行了讨论。     

超声载荷下TC4钛合金的疲劳寿命分析

通过计算裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展速率da/d N,由C.Paris模型推导出安全寿命Nf,由Bathias公式计算"哑铃"状钛合金试样的裂纹扩展寿命。通过理论计算和有限元分析超声疲劳"哑铃"状试样,得出应力最大位置。利用有限元仿真和实验数据分析TC4钛合金疲劳寿命。在20 k Hz的超声疲劳试验中,试样的断口位置表明:TC4钛合金材料内部缺陷是试样萌生裂纹使断裂位置偏离最大应力处的主要原因。并得出疲劳裂纹萌生阶段寿命决定"哑铃"状试样的疲劳寿命。     

室温大气环境下不同时效态2A12合金的疲劳行为

在拉-压疲劳试验机上对室温大气环境下欠时效态、峰时效态、过时效态和自然时效态2A12合金的疲劳行为进行研究,并采用扫描电镜(SEM)分析室温大气环境下不同时效态对疲劳断口形貌的影响.结果表明:在室温大气环境下,四种时效态2A12合金的疲劳断裂循环次数均随着循环应力的减小而明显增加.循环应力水平越低,疲劳寿命提高越明显;各时效态的疲劳断口均为穿晶断口.断口中均出现疲劳条纹、台阶和韧窝,并在较低循环应力下,疲劳条纹出现的区域较多;欠时效态和峰时效态断口上还可观察到轮胎花样.自然时效态表现出最好的疲劳裂纹扩展阻力,其次是欠时效态、峰时效态,过时效态的疲劳裂纹扩展阻力最低.对室温大气环境下各时效态2A12合金疲劳行为进行了讨论.     

ZTC4（Ti-6Al-4V）铸造钛合金的室温低周疲劳行为

研究了ZTC4钛合金应变控制的室温低周疲劳行为,对循环应力-应变和应变疲劳寿命数据进行了分析,通过双对数线性回归处理,得出了Manson-Coffin处理模型的疲劳参数。结果表明：ZTC4钛合金总应变幅在0.6%～0.8%时,材料存在轻度循环软化的现象;总应变幅为0.4%～0.5%时,循环初期表现出循环硬化的现象,而后循环软化。合金的疲劳裂纹萌生于试样表面,裂纹扩展区存在明显的疲劳条带,合金疲劳断口呈现韧性断裂特征。     

3.5%NaCl腐蚀环境下2种航空铝合金材料疲劳性能试验研究

腐蚀环境下的疲劳性能是航空金属结构疲劳寿命设计的重要前提,为此,试验测定了2种航空铝合金材料（2E12-T3、7050-T7451）的光滑试样和缺口试样在干燥大气和3.5%NaCl腐蚀环境下的疲劳性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行扫描电镜（SEM）分析,研究了3.5%NaCl腐蚀环境与载荷联合作用对腐蚀疲劳性能的影响机理,研究结果表明：3.5%NaCl腐蚀环境对2种铝合金材料的疲劳性能均产生不利影响,且腐蚀与疲劳载荷的交互作用随着应力水平的降低而增强,疲劳性能下降更明显;与光滑试样相比,腐蚀环境对铝合金2E12-T3缺口试样疲劳性能的影响更大,但对铝合金7050-T7451缺口试样疲劳性能的影响却变小;在腐蚀环境下,裂纹尖端易发生电化学反应产生腐蚀产物和[H]离子,腐蚀产物的存在会阻碍裂纹闭合,同时,[H]离子导致裂纹尖端的氢脆效应,加快裂纹扩展,使疲劳性能降低。     

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。     

Stellite12钴基合金的疲劳性能及其断裂机理研究

采用三点弯曲疲劳法测得光滑试样和直缺口试样的S-N曲线以研究Stellite12钴基合金的疲劳性能,并通过断口形貌观察进一步探究该钴基合金的断裂过程。结果表明:光滑试样的疲劳极限为545 MPa,约为原始抗弯强度1552 MPa的25.4%;直缺口试样的疲劳极限约为101MPa,约为静态抗弯强度517.6MPa的19.1%。对于疲劳敏感性,光滑试样与直缺口试样的疲劳敏感性分别为397和31。此外发现疲劳裂纹多萌生于近表层聚集的碳化物处,同时表面缺陷也可诱发疲劳裂纹的萌生。疲劳裂纹的扩展主要表现为碳化物的穿晶断裂,钴基体在应力比R=0.1的疲劳加载条件下虽表现出一定的韧性且呈现出较多的撕裂脊,但也呈现出一定的脆性断裂模式,因此疲劳裂纹扩展模式为真疲劳与静态疲劳的混合模式。     

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。     

镍基单晶合金紧凑拉伸试样高温断裂特性的实验研究

采用紧凑拉伸（CT）试样对三种晶体取向[001]，[011]，[111]的镍基单晶合金DD3在950，850℃和760℃下的拉伸以及950℃时的蠕变和疲劳性能进行了实验研究。应用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）分别对单晶体裂纹扩展路径和断口表面进行了观察和分析。拉伸实验结果表明：单晶体裂纹扩展路径沿着特定的晶体学矢量方向扩展而在试样自由表明呈现Z字型外观，其扩展方向及形状取决于晶体取向。温度对试样的断裂形式影响较为显著，760℃时的断裂特征为剪切型脆性断裂，断裂平面为沿滑移面的光滑斜断口；950℃下试样断裂逐渐转变为微孔聚集型韧性断裂，断口由粗糙的剪切唇和纤维区构成。蠕变和疲劳实验结果表明：镍基单晶具有明显的蠕变和疲劳性能各向异性，蠕变寿命以[011]，[111]，[001]顺序依次减小，疲劳寿命以[111]，[011]，[001]顺序依次减小；蠕变及疲劳裂纹扩展路径均与加载方向垂直，断裂表面均为光滑的平断口。试样断口细观分析显示，蠕变试样断口由杯锥状韧窝组成，而疲劳试样断口则由疲劳裂纹组成。疲劳损伤比蠕变损伤更有利于裂纹的扩展。     

再结晶对DD6单晶高温合金轴向高周疲劳性能的影响

为了研究再结晶对二代单晶高温合金DD6高周疲劳性能的影响,对标准热处理的DD6合金进行表面吹砂处理,然后分别在1120℃和1315℃保温4h,以获得不同类型的再结晶组织。在疲劳试验机上分别测试了光滑和含再结晶的DD6合金试样在1070℃的轴向高周疲劳寿命。采用SEM观察DD6合金再结晶组织及疲劳断口。结果表明:胞状再结晶和等轴再结晶降低了DD6合金的轴向高周疲劳性能,胞状再结晶作用小于等轴再结晶;含再结晶的DD6合金试样的轴向高周疲劳断裂机制为类解理断裂和枝晶间的局部韧窝断裂共存的混合断裂;再结晶使DD6合金试样变为多源疲劳断裂。高温条件下,再结晶晶界的存在加快合金试样的氧化损伤,显著缩短早期疲劳裂纹的萌生和扩展时间,降低合金的轴向高周疲劳性能。     

变形高温合金缺口试样循环蠕变断裂寿命研究

本文就GH33、GH37和GH49三种变形高温合金在不同试验应力下的光滑试样的静蠕变、循环蠕变和缺口试样的静蠕变、循环蠕变断裂寿命进行了研究。分析了缺口、循环和应力因索对寿命的作用和相对重要性。探讨了缺口循环蠕变断裂寿命增减的实质。研究表明,在缺口循环蠕变条件下,其宏观力学现象比较复杂,既不能简单地把其断裂寿命的增减看作是循环强化或软化,也不能以材料在静蠕变条件下的缺口敏感性指标来评估在循环蠕变条件下无缺口敏感性。     

温度对TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响

对TC4-DT损伤容限型钛合金在150℃,25℃下的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了测试,给出了扩展速率和应力强度因子幅值△K之间的关系曲线.用SEM对2种温度下断口形貌进行了观测,实验结果表明,150℃的疲劳裂纹扩展速率试样具有较低的疲劳裂纹扩展速率,25℃的疲劳裂纹扩展速率试样具有较低的门槛值;稳态扩展区解理断裂和条带循环机制共存,150℃的da/dN试样中的疲劳辉间距比25℃试样细;快速扩展区的断口形貌呈韧窝型静载断裂特征,150℃的da/dN试样中的韧窝比25℃试样深.     

失效分析技术及其应用——第七讲 疲劳断裂失效分析

1.l 疲劳断裂机械构件或材料由于循环负载或交变应力作用所引起的断裂现象称为疲劳断裂,其断裂表面称为疲劳断口.疲劳断裂是受循环应力、拉应力及塑性应变这三者的共同作用而发生的.若这三者中的一种不存在,则疲劳裂纹的萌生及其扩展便不会产生.疲劳断裂形成的疲劳断口具有特殊的形貌.它们可分成三个断裂区或三个断裂发展阶段:(1)第Ⅰ阶段 疲劳断裂的成核阶段,即疲劳裂纹的萌生.(2)第Ⅱ阶段 疲劳裂纹的扩展阶段,即疲劳裂纹的亚稳扩展.(3)第Ⅲ阶段 疲劳的最终断裂或瞬时断裂阶段,即疲劳裂纹的失稳扩展.     

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     

平均应力对低碳钢低周冲击疲劳强度的影响

作为对海浪引起的随机载荷下船舶结构部件的冲击疲劳的基础研究,对平均应力对低碳钢冲击疲劳强度的影响进行了试验性研究。在系统地改变应力比的交变轴向载荷条件下,对四种具有应力集中系数K_t=1～4.7的圆棒进行了低周冲击疲劳试验。还对这些同样试样进行了普通疲劳试验,以便与上述试验结果进行比较。试验结果归纳如下: (1)光滑试样的断裂过程是蠕变型的,而具有大K_t值的缺口试样的断裂是开裂型的,与应力比R(最小应力■与最大应力■之比)无关。具有小K_t值的试样的断裂随应力大小和应力比的不同而不同。 (2)在蠕变型情况下,永久变形速率■和断裂循环数N_f之间的关系与R无关,但应力幅度■(=(■(1-R)/2)和N_f之间的关系明显地取决于R。在其它情况下,■和裂纹发生循环数N_c以及断裂循环数N也明显取决于R。 (3)由上述结果可以发现,除具有很大K_t值的缺口试样以外,对每种试样应力幅度■和平均应力■之间关系都可写成如下形式:式中:■应力比R=-O.8的应力幅度;■:每种试样的最大应力 (4)由普通疲劳试验获得的疲劳性状几乎和由冲击疲劳试验获得的疲劳性状相同,但应力比对疲劳性状的影响程度低于冲击疲劳试验的情形。     

S135钻杆钢的拉扭复合加载疲劳行为

采用疲劳实验和回归分析相结合的方法,研究了S135钻杆钢在拉扭复合加载条件下的疲劳行为,并对疲劳断口进行了微观分析。结果表明:当τa/σeq=0.7时,由拉扭应力幅对应的当量应力表示的疲劳寿命公式可很好地描述S135钻杆钢的拉扭疲劳寿命规律;疲劳断口由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速瞬断区组成,疲劳裂纹从试样表面萌生,并向试样内部扩展,且常为多疲劳源,不同疲劳源断口的连接和复合加载形成所谓的"屋脊"状特征;拉扭疲劳断裂试样裂纹源区的微观断口特征为明显的河流花样,裂纹扩展区的微观断口特征为疲劳条带与涟波状花样。