基于超高周疲劳多元化失效模式的概率S-N曲线模型构建方法EI北大核心CSCD

对渗碳Cr Mn钢开展了超高周疲劳试验,通过观察断口发现其失效模式分为表面裂纹诱发失效、内部夹杂导致的高周疲劳（5×10^4〈N^10^7）失效以及超高周疲劳（N〉10^7）三种。该文假设每一种失效模式的S-N曲线均相互独立,并基于混合Weibull分布以及Basquin和三参数S-N曲线模型,分别构建出了渗碳Cr Mn钢三种失效模式各自的概率S-N曲线及综合反映渗碳Cr Mn钢多元化失效模式的概率S-N曲线。与试验数据相比,99%存活概率的P-S-N曲线在超长寿命区给出了较为安全的寿命预测。     

TC4钛合金的超高周疲劳行为及其竞争失效模型构建

针对现有模型对TC4竞争失效预测的不准确性,建立了基于最大应力强度因子的竞争失效模型。在室温以及两种应力比下,针对TC4钛合金进行超高周疲劳试验,通过试验与最弱键竞争失效理论相结合的方法进行评估,研究其超高周疲劳性能。通过对试样断口形貌的观察,可将其失效模式分为如下两类:表面失效以及内部失效。对试样表面缺陷以及内部解理刻面尺寸进行测量,并评估其最大应力强度因子值。进一步通过正态分布得到最大应力强度因子的累计分布函数,基于两参数泊松分布建立了与最大应力强度因子有关的竞争失效模型。通过模型计算结果,可以得出在任一最大应力强度因子下试样发生各种失效模式的概率,且经分析对比,本文中TC4两种疲劳失效模式的失效概率评估结果与试验数据吻合较好,为分析TC4钛合金超高周疲劳状态下的疲劳失效模式提出了新的评估方法。     

ZG230-450铸钢的重构疲劳可靠性S-N曲线

给定若干概率水平的常规疲劳可靠性曲线只能做相应概率水平的疲劳设计与寿命预测,要实现任意可靠性水平的疲劳设计、寿命预测和可靠性评定,需要重构全概率疲劳可靠性S-N曲线。首先应用Monte Carlo模拟技术在可接受的误差范围重构了铁道车辆ZG230-450车轮铸钢的疲劳极限和成组法S-N数据。然后应用广义极大似然法测定了其中短寿命范围的可靠性S-N曲线。最后应用概率疲劳极限外推法获得了该材料中短和长寿命范围的合理疲劳概率S-N曲线。并进一步发展了适于车辆结构用万公里单位表征的可靠性曲线。应用该曲线可实现任意可靠性水平的疲劳可靠性设计、寿命预测和可靠性评价。     

高强度钢超高周疲劳的研究进展

近年来,高速列车、汽车、航天器中的核心工程构件承受的疲劳循环已达108～1010周次甚至更高.目前的研究结果表明,高强钢材料在10 7周次以上的超高周疲劳阶段内仍会发生疲劳断裂,不存在传统的疲劳极限.因此,研究高强钢的超高周疲劳特性不仅有助于理解疲劳机理,而且有利于研究材料超高周疲劳设计及寿命评估方法.论述了高强钢超高周疲劳研究的背景和意义,介绍了近几年超高周疲劳的研究成果,包括S-N曲线的特征、裂纹萌生特征和扩展机理、断面上鱼眼形貌等,并给出了未来超高周疲劳的研究方向.     

超高周疲劳的影响因素及疲劳机理的研究进展

超高周疲劳的研究可以满足某些特殊零部件极高循环周次的要求。综述了近年来超高周疲劳的研究进展,从S-N曲线的特征、断面上的鱼眼形貌以及裂纹的萌生与扩展特征等方面介绍了超高周疲劳的典型特征。分析了影响超高周疲劳的若干因素,如氢的作用、加载频率、应力比和晶粒尺寸等。进而提出了一些今后超高周疲劳的研究方向:超高周疲劳裂纹扩展的微观机理、扩展速率尤其是微观、宏观上的控制参量的研究以及确定鱼眼与ODA区边缘的应力强度因子范围对内部裂纹扩展门槛值的影响作用。     

TC4棒材室温疲劳寿命测定及S-N曲线的建立

本文利用升降法确定TC4棒材的疲劳极限,采用成组法确定高应力下疲劳寿命,数据处理后建立了TC4合金棒材疲劳试验S-N曲线。     

掉层RC框架结构基于典型失效模式的失效概率评估

结构失效模式决定了结构在强震下的抗震性能。该文采用基于可靠度理论的割集方法,对掉层框架结构地震作用下的典型失效模型的失效概率进行评估,并与规则框架结构进行对比,分析了掉层框架结构失效模式的特点。结果表明：掉层框架结构的柱极限剪切失效模式年平均发生概率高于规则结构,且掉层框架结构存在剪切破坏先于弯曲破坏的风险,应采取适当加强措施以满足\     

CrMoW转子钢的高温超高周疲劳性能

使用自主搭建的高温超声疲劳实验系统在常温和600℃进行Cr Mo W转子钢1×1010周次超高周疲劳实验,研究了Cr Mo W转子钢在工作温度下的超高周疲劳性能。结果表明:在600℃和常温下转子钢的S-N曲线均呈连续下降型,试件在109周次后仍发生疲劳断裂。在常温实验条件下疲劳寿命小于1×107周次试件的裂纹多萌生在表面,而高于1×107周次的多以内部萌生为主。在高温实验环境下裂纹也在内部夹杂处萌生,且裂纹萌生方式对疲劳寿命没有决定性作用。鱼眼定量分析结果表明,Cr Mo W转子钢在600℃和常温下裂纹扩展的应力强度因子门槛值分别为3.4 MPa·m1/2和1.0 MPa·m1/2。     

基于概率的钢框架结构地震失效模式识别方法

该文定义了构件的截面损伤指标,基于增量动力分析(IDA)方法,对地震输入下结构的失效模式进行分类,进一步统计得出各失效模式下构件端部截面损伤均值。提出基于概率的地震失效模式识别方法,建立各失效模式下结构失效概率关系表达式。基于OpenSees平台,对一个20层benchmark钢框架结构模型进行数值分析,结果表明,根据关键层的损伤状态可以合理地划分失效模式,引入构件重要性系数能较好地反映各构件截面损伤对结构失效模式的影响,基于概率的地震失效模式识别方法能有效的判别结构发生各失效模式的概率大小。     

基于动态S-N曲线的飞机结构日历寿命分析

为科学地确定飞机结构的日历寿命，章认为飞机结构的损伤历程是地面停放环境和空中疲劳载荷协同作用的结果，并提出了以动态的S－N曲线为基础，采用传统的名义应力法和Miner累积损伤理论来估算结构日寿命的方法。     

连杆用20CrMnTi钢根据疲劳S-N曲线进行安全性设计的探讨

在某早期疲劳断裂失效的20CrMnTi钢连杆上取样,采用升降法和成组法对其进行旋转弯曲疲劳试验,获取0.1%失效概率、95%置信度下的S-N曲线,据此合理地设计其安全服役应力。结果表明:根据在0.1%失效概率、95%置信度下的S-N曲线函数可以获得该连杆在疲劳寿命达到2×106循环周次设计要求下的最大交变载荷应控制在229 MPa以下,以确保连杆在使用寿命内不发生疲劳失效。     

土质边坡的单元失效概率与失效模式研究

土质边坡系统失效概率与土体抗剪强度参数以及地下水位息息相关，在传统边坡可靠度分析中一般只考虑了土体抗剪强度参数的变异性，忽略了地下水位随机性带来的影响。该文将有限元离散技术、上限法理论、相关非高斯随机场模拟方法以及随机规划理论结合起来研究随机地下水位作用下考虑参数空间变异性的边坡系统失效概率。采用有限单元离散边坡土体，将边坡地下水位作为随机变量并考虑土体抗剪参数的空间变异性，基于塑性极限分析上限法构建边坡可靠度分析的随机规划模型；采用基于蒙特卡洛的迭代方法进行求解，得到边坡稳定性系数和速度场；根据边坡中单元的失效信息首次采用AP聚类分析方法来估算边坡的系统失效概率，发展了边坡系统可靠度分析理论。对一个经典的边坡算例进行了系统分析并与极限平衡分析方法、有限元方法结果进行对比，结果表明：随机地下水位作用下考虑参数空间变异性时，边坡存在多种失效模式，AP聚类分析方法可以根据失效单元的位置信息识别出边坡所有失效模式以及对应的失效概率；基于Matlab编制了高效的上限法并行程序，大大提高了计算效率。     

考虑土质边坡多失效模式的区域概率风险分析方法

针对现有边坡风险分析仅考虑单一失效模式及风险分析结果难以被工程师理解等问题,提出了考虑边坡多失效模式的区域概率风险分析方法。首先给出了区域概率的概念,建立了以区域概率定量表征边坡稳定性的方法,推导了基于区域概率的边坡系统风险评价公式,探讨了该公式的适用性。在此基础上采用直接蒙特卡罗模拟计算边坡区域失效概率。最后以一不排水黏性土坡为例阐明了所提方法的有效性。结果表明：区域概率风险分析方法为表征边坡的关键失效区提供了一种简单、直接的可视化工具,为工程师制定合理的边坡加固设计方案提供了参考依据。基于区域概率风险分析方法的边坡系统风险评价公式不仅能够有效地回避边坡风险评价中多滑面间安全系数及滑块体积之间相关性计算问题,而且能够准确地量化边坡多破坏模式的系统风险。传统的风险评价方法可能显著低估边坡系统风险,使得边坡设计方案偏危险。边坡失效概率最大的滑面不一定是边坡失效风险最大的滑面,在边坡加固设计中,失效风险较大的滑面也应该予以关注。     

基于内部失效机理预测评估渗碳Cr-Ni齿轮钢的超高周疲劳强度

对渗碳Cr-Ni齿轮钢进行应力比为0和0.3的室温超高周疲劳实验,观测试样中诱发裂纹萌生的夹杂和疲劳断口形貌,以全面评估渗碳Cr-Ni齿轮钢疲劳性能。将疲劳失效模式分为有细颗粒区(Fine granular area,FGA)的内部疲劳失效和有表面光滑区(Surface smooth area, SSA)的表面疲劳失效,并阐明了渗碳Cr-Ni齿轮钢的超高周内部疲劳破坏机制。基于累积损伤和位错能量法并结合细颗粒区形成机理和夹杂的最大评估尺寸,分别构建了两种渗碳Cr-Ni齿轮钢内部疲劳强度的预测模型。利用FGA尺寸与夹杂尺寸的比值和夹杂应力强度因子及应力比之间的关系,修正所提出的两种疲劳强度预测模型并给出了最大夹杂尺寸下的l_FGA-S-N曲线。结果表明,基于累积损伤法和位错能量法分别构建的疲劳强度预测模型都可用于预测评估渗碳Cr-Ni齿轮钢在多种应力比下的内部疲劳强度,基于位错能量法的强度预测模型精度较高。     

乙醇对TC4钛合金超高周疲劳性能的影响

利用超声疲劳试验方法分别对室温下医用酒精(体积分数75%)中浸泡5min、医用酒精浸泡5min后再在生理盐水中浸泡24h、直接在生理盐水中浸泡24h、分析纯乙醇(体积分数99.9%)中浸泡6h、医用酒精中浸泡6h等处理条件下退火态Ti6Al4V(TC4)钛合金的超高周疲劳性能进行了研究,并利用扫描电子显微镜(SEM)观察疲劳断面形貌,分析了TC4钛合金的疲劳断裂特性。结果表明:在104~109周次范围内,经医用酒精处理后TC4钛合金的S-N曲线呈现一次阶梯下降型,而未用医用酒精处理的TC4钛合金的S-N曲线呈现缓慢下降型;在300~700 MPa应力范围内,医用酒精浸泡过的TC4钛合金试样疲劳寿命快速下降;医用酒精处理后的TC4钛合金的超高周疲劳断裂全部从表面发生、断面较光滑且瞬断区面积占比极小,不同于未接触医用酒精的TC4钛合金试样的穿晶塑性断裂。     

合金元素Mo对材料超高周疲劳性能的影响

采用超声疲劳试验技术对42CrMo钢超高周疲劳性能进行了研究。将42CrMo钢超高周疲劳S-N曲线与已有文献中40Cr钢在相同试验方法和试验条件下得到的超高周疲劳S-N曲线进行比较,结果显示42CrMo钢超高周疲劳性能优于40Cr钢。通过分析推测,合金元素Mo增加了疲劳裂纹内部萌生的时间,进而提高了材料超高周疲劳的寿命。     

一种高强度钢的超高周疲劳及热耗散研究

利用超声疲劳试验设备在20kHz频率下研究了一种高强度钢的超高周疲劳性能,试验持续到109次循环,得到了室温环境及不同循环比(R=0.01和R=0.1)的SN曲线,试验结果显示.疲劳强度在105～109次循环范围内随着循环次数的增加而减小.断面表面的SEM检查结果表明,疲劳裂纹的生成导致疲劳损伤,且亚表面裂纹起源在长寿命范围内.试验结果表明,试件全寿命的99.87%贡献于亚表面裂纹的形成.     

60Si2CrVA高强度弹簧钢的超高周疲劳破坏行为

进行超声波疲劳和疲劳裂纹扩展速率实验,研究了3种60Si2CrVA弹簧钢的超高周疲劳破坏行为. 结果表明,60Si2CrVA弹簧钢的超高周疲劳性能主要与其中夹杂物的尺寸有关,即随着夹杂物尺寸的减小,钢的疲劳寿命和疲劳强度均逐渐提高.对于内部夹杂物引起的疲劳破坏,在低应力幅、高循环周次(约大于10°cyc)条件下,在夹杂物周围的鱼眼处往往存在粗糙的粒状区域(GBF).对于A-60钢,随着疲劳源夹杂物处应力场强度因子幅的减小,疲劳寿命增加;而GBF处的应力场强度因子幅并不随疲劳寿命变化而变化,基本为一常数(平均值为4.6 Mpa·m1/2),与疲劳裂纹扩展门槛值(4.3 Mpa·m1/2)接近.     

基于统计分析的等离子喷涂层接触疲劳寿命和失效模式

在不同应力水平下考察等离子喷涂镍基合金涂层的滚动接触疲劳寿命和失效模式。以R-3.1.1软件为平台,采用统计分析方法(方差分析、回归分析、判别分析等)对其进行分析和讨论。结果表明:涂层的滚动接触疲劳寿命呈正态分布;随着接触应力的增加,涂层的均值寿命和方差都减小,并且疲劳寿命的分布更加集中;方差分析表明,接触应力对涂层的滚动接触疲劳寿命有显著性影响,且寿命均值与接触应力具有高度的线性相关性;建立了涂层失效模式的判别准则,当指定接触应力和疲劳寿命时可以预测涂层的失效模式,且预测正确率在65%以上;疲劳寿命对失效模式的累积贡献率明显高于接触应力对失效模式的累积贡献率,因此疲劳寿命是决定涂层失效模式的主要因素。     

基于堆焊成形钛合金高周疲劳实验数据的R-S-N模型

针对应力比对疲劳寿命影响的问题,以TC18钛合金堆焊成形(利用多层堆焊的方法制备)试样为研究对象,进行了3种应力比(R=0.5、R=0.06、R=-1)的疲劳实验,得出相应的疲劳极限,应用"应力幅值寿命模型"和"三参数寿命模型"得到6条S-N曲线。根据裂纹扩展速率与疲劳寿命的积分关系,以两种疲劳寿命数学模型为基础,系统地研究了应力比(R)与疲劳寿命曲线(S-N)的关系,提出了考虑应力比的疲劳寿命(R-S-N)数学模型。根据本文提出的修正公式,建立了适用TC18钛合金堆焊成形材料的两种R-S-N数学模型,结果表明:用应力幅值寿命模型可对中等疲劳寿命区进行准确的预测,而三参数寿命模型更适合中长寿命区域的预测。提出的两种R-S-N数学模型与实验值吻合良好,并可在工程上预测任意应力比下的疲劳寿命曲线。