变幅载荷下的钢板弹簧疲劳裂纹扩展研究

钢板弹簧疲劳裂纹在变幅载荷作用下的扩展预测模型主要是Schütz疲劳裂纹扩展模型,但此模型未考虑裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响,忽略了参数C和n随应力比的联系,疲劳裂纹门槛值△Kth也只考虑应力比为0的特殊工况.因此对Schütz疲劳裂纹扩展唯象模型进行修正,使修正后的模型各参数物理意义更加明确,适用于不同的工况.并将实车试验所测的应力幅值运用于修正后的模型,表征变幅载荷作用下钢板弹簧疲劳裂纹扩展进程.表明加载幅值增大,疲劳裂纹扩展速率加快,试验结果与模型预测结果良好吻合,为变幅载荷作用下疲劳裂纹扩展速率的计算提供了理论依据.     

1Cr11Ni2W2MoV钢疲劳裂纹闭合与试样类型的相关性

压力容器材料的疲劳裂纹扩展门槛值在预测服役寿命方面具有重要意义,而门槛值的准确测定常受到裂纹闭合的影响。为了验证采用角裂纹(CC)试样测定疲劳裂纹扩展门槛值时是否受裂纹闭合影响,采用1Cr11Ni2W2MoV钢加工了角裂纹试样和紧凑拉伸(C(T))试样,在室温下开展了疲劳裂纹扩展门槛值试验,并测定了门槛值对应的载荷-裂纹张开位移曲线。通过扫描电子显微镜对断口形貌中由裂纹闭合产生的磨损痕迹进行了观察。结合试验结果分析了两种试样类型的裂纹闭合程度及成因。通过CC试样测定的门槛值与C(T)试样相近或更小。在所测试4个CC试样中,仅有一个出现了足以影响裂纹扩展驱动力的裂纹闭合现象,而在所有测试的C(T)试样中均观察到了裂纹闭合。CC试样可用于疲劳裂纹扩展门槛值试验,并在当前试验条件下获得了接近理想门槛值的结果。     

"过载"在da/dN-△K曲线与△Kth降载法测量中的影响及其对策

对在10^-5－10^-7mm/cycle疲劳裂纹扩展曲线da/dN－△K和疲劳裂纹扩展门槛值△Kth测量中常用的降载法进行研究。每一级载荷疲劳裂纹扩展二次（△a1i，△N1i）和（△a2i，△N2i）。用多点多项式分别拟合（△a1i，△N1i，△K1i）和（△a2i，△N2i，△K2i），i＝1，2，3，…，n。每一种材料得到两条da/dN－△Kth。结果表明，降载法中的前一级载荷仍明显有过载作用，干扰材料疲劳裂纹扩展，影响测量数据的真实性。本文提出解决方法－－“二次扩展法”，即在每一级载荷,舍去受前一级载荷影响大的第一次循环数据，而用受前一级载荷影响较小的第二次循环数据作为疲劳裂纹扩展曲线da/dN－△K和计算疲劳裂纹扩展门槛值△Kth的数据。     

使用恒Kmax方法测试物理小裂纹门槛值研究

大量研究表明长裂纹和物理小裂纹扩展行为差异的主要原因是由于裂纹闭合程度不同造成的,消除裂纹闭合效应影响后的长裂纹与小裂纹的裂纹扩展行为应趋于一致.文中使用恒Kmax/增Kmin值降低△K的试验方法来测试裂纹扩展门槛值.此方法在测出△Kth时应力比R已经很高,实际上已不存在裂纹闭合效应的影响.通过对比试验结果表明,恒Kmax法测试长裂纹扩展门槛值能有效去除裂纹闭合效应的影响,用测得的门槛值近似表述小裂纹门槛值,能给出偏于保守的结果.     

显微组织对中碳钢疲劳裂纹扩展的影响

本文试验研究了45 Cr 钢淬水,200℃回火态和40 MnB 钢淬水,200℃、500℃回火态的疲劳裂纹在第一、第二扩展阶段的扩展。试验结果表明,当疲劳裂纹处于第一扩展阶段时,两种钢在200℃回火态的疲劳裂纹主要是穿晶扩展,它们的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)和门槛值(△K_(th))基本相同。当疲劳裂纹进入第二扩展阶段后,晶界状态对疲劳裂纹扩展的影响明显起来。硼具有韧化200℃回火态组织晶界的作用,致使40MnB 钢的疲劳裂纹不优先沿晶界扩展。而45Cr 钢,疲劳裂纹优先沿高畸变能的晶界扩展,疲劳裂纹沿晶扩展速率加快,所以得到40 MnB 钢的da/dN<45Cr 钢的da/dN 的结果。当40MnB 钢500℃回火态的疲劳裂纹处于第一、第二扩展阶段时,均是穿晶扩展,断口上有明显疲劳条纹,裂纹扩展途径弯曲度大,从而使其在两个扩展阶段的da/dN 均低于两种钢200℃回火态的da/dN,△K_(th)值高于两种钢200℃回火态的△K_(th)值。     

基于试验数据的疲劳裂纹扩展门槛值研究

试验确定门槛值是最常用和最基本的方法,裂纹闭合使其准确性受到质疑。文中总结基于试验数据确定门槛值的方法,依据高低压一体化转子材料的疲劳门槛值试验和疲劳裂纹稳定扩展数据,对不同确定方法进行比较。结果发现高压端(high-pressure zone,HP)门槛值比低压端(low-pressure zone,LP)大,最大载荷法、简易方法和近似公式确定的门槛值偏大,而由Paris公式直接外推所得门槛值过小,近似公式计算的门槛值准确性不高。通过分析晶粒尺寸对裂纹扩展路径的影响,认为高压端与低压端门槛值不同是由于裂纹闭合程度不同引起的,粗糙度诱发裂纹闭合占主导作用。     

裂纹尖端韧化区止裂

当外加应力强度因子变化幅度低于材料的疲劳裂纹扩展门槛值时,裂纹不会产生和发展,疲劳损伤几乎不能产生.裂纹尖端韧化区止裂工艺提高了裂纹尖端局部区域材料的疲劳裂纹扩展门槛值,减慢了疲劳裂纹扩展速率,使裂纹扩展寿命大为延长.     

18Cr2Ni4WA钢的组织与疲劳裂纹扩展特性

本文测试了18Cr2Ni4WA钢三种典型组织——粒状贝氏体,粒贝的高温回火组织和马氏体的高温回火组织的疲劳裂纹扩展速率(da/dN毫米/周次)及门槛值(△K_(th)公斤·力毫米~(3/2)),分析了断口形貌及裂纹扩展路径,研究了三种组织的疲劳裂纹扩展特性,着重讨论了不同结构、大小、数量和分布的弟二相对疲劳断裂行为的影响。结果表明:组织类型对da/dN有一定的影响,尤其是对疲劳裂纹扩展门槛值△K_(th)影响较大。粒贝具有较好的裂纹扩展抗力;粒贝的高温回火组织次之:马氏体的高温回火组织最差。粒贝中的(M-A)组织强烈阻碍裂纹扩展;马氏体高温回火组织中分布于晶内的细小碳化物阻碍裂纹扩展不明显,分布于晶界的片状碳化物促进沿晶断裂-——这是导致三种组织的疲劳裂纹扩展特性不同的重要原因。     

不同应力比下U75V轨道钢疲劳裂纹扩展行为研究

对高速铁路常用轨道钢U75V进行了不同应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值测试和疲劳裂纹扩展试验。试验结果表明,应力比对U75V轨道钢的裂纹扩展行为有着显著影响。利用分级降载法测得的疲劳裂纹扩展门槛值随应力比的增大而减小,裂纹扩展速率随应力比的增大而增大。对裂纹断口微观形貌进行了细致观察分析,发现整个疲劳断口分布有凸条纹棱线。疲劳门槛值附近出现沿晶体学平面的穿晶小刻面;低扩展速率区凸条纹棱线平行排列,棱线方向与珠光体片层方向一致;高扩展速率区的棱线出现弯曲及碎裂,同时伴有解理断面及二次裂纹。     

损伤容限设计方法和设计数据

论述了损伤容限设计方法 ,研究了长裂纹的疲劳裂纹扩展寿命估算方法和初始裂纹尺寸a0 的确定方法。并提供了常用国产机械材料的疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值的试验数据。     

一种估算疲劳裂纹扩展门槛值△Kth的新方法

从断裂力学角度导出了一个估算疲劳裂纹扩展门槛值△K_(th)的新公式:其中α是材料常数,对金属材料α=0.05～0.10。以上式估算的疲劳门槛值与一些材料的实验测试值相当一致,并能较好地解释一些实验现象。这表明该式有一定的适用性。     

Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹疲劳扩展门槛值

以垂直于裂纹扩展径向平面上的主应力σ1 及极径r的组合量 2πr·σ1 为主应力强度因子 σ1 ,提出主应力强度因子下的复合型裂纹初始扩展准则及扩展的静态断裂模型 ,在此基础上推导复合型裂纹的门槛值方程和裂纹面扭转角公式及裂纹扩展速率公式 ,定义复合型裂纹的理论门槛值 ,进行Ⅰ Ⅲ复合型裂纹扩展试验。试验表明 ,文中提出的疲劳裂纹扩展门槛值模型是适用的     

水泵轴用钢疲劳裂纹扩展特性研究

介绍了柔度法疲劳裂纹扩展自动测量系统的研制和结果。该系统适用于频率不高于２５０Ｈｚ的疲劳试验,可以实时地将采集到的载荷位移数据用柔度法转换为裂纹长度,并计算出相应的应力强度因子范围和裂纹扩展速率。利用该系统对水泵轴用钢的疲劳裂纹扩展特性进行了较详细的研究,给出了４２ＣｒＶ和ＩＲ３Ｍｏ的疲劳裂纹扩展速率和门槛值。     

利用铝合金疲劳裂纹扩展速率预测其断裂韧度

测试了2124铝合金TL与LT取向疲劳裂纹扩展门槛值,提出了用疲劳裂纹失稳扩展阶段最后十个循环中的最大值来估算2124铝合金TL与LT取向的断裂韧度K′C的方法,并将其与Forman公式预测的断裂韧度Kc值进行对比。结果表明:K′C与Kc值结果相近,误差分散度小;将K′C值代入全范围疲劳裂纹扩展速率表达式中,对2124铝合金TL和LT取向试验数据进行计算,预测结果与试验结果较好吻合。     

有机玻璃疲劳裂纹扩展定量分析

采用断裂力学方法分析了有机玻璃裂纹尖端应力分布及银纹微纤化断裂机理 ,由此建立的力学模型所得到的疲劳裂纹扩展表达式 ,能较好地拟合有机玻璃疲劳裂纹扩展实验数据。而由裂纹扩展实验数据通过线性回归计算得出的裂纹扩展系数 B和理论门槛值 ΔKth可分别定量描述有机玻璃在中部区和近门槛区的扩展行为 ,且 B值与有机玻璃拉伸性能之间存在确定的函数关系 ,认为这两个参数可作为评估有机玻璃疲劳裂纹扩展行为的基本参量。     

疲劳裂纹扩展试验的一种低载截除方法

基于疲劳裂纹扩展门槛值和应力比的关系,提出了一种适用于疲劳裂纹扩展试验的低载截除方法。该方法综合考虑了材料裂纹扩展性能、应力幅值和应力比的影响。用中心裂纹板(M(T))试验件进行了一种飞-续-飞原谱和两种截除谱下的疲劳裂纹扩展试验。截除谱下裂纹扩展寿命与原谱下寿命差别在26%以内,但试验周期最多缩短了78%。试验结果表明,采用提出的方法进行低载截除,可显著缩短试验周期而不改变结构破坏模式,也不明显改变裂纹扩展寿命。     

广义Wheeler模型迟滞指数m的计算

为用广义 wheeler 模型估算裂纹扩展寿命,给出了计算迟滞指数 m 的一个新的经验公式,它与原有公式相比,少用一个材料参数,即裂纹扩展门槛值△K_(th),但仍具备△K_(th)想要起到的作用,且更加准确、可靠。     

高超载比超载对Q345钢的疲劳性能的影响

采用Q345钢制作成紧凑拉伸试样,并在裂纹萌生后进行超载.通过疲劳裂纹扩展试验,研究高超载比超载对疲劳裂纹扩展速率的影响,分析其延寿机理.研究发现:较高的超载比使试样引入了残余压应力,使得有效应力强度因子降低至应力强度因子门槛值附近.可以降低疲劳裂纹扩展速率,抑制裂纹扩展,延长试样的疲劳寿命,通过此方法提高了含裂纹结构的使用寿命.     

在役钢结构材料的疲劳裂纹扩展特性研究

本文应用试验方法系统地研究了在役钢结构材料的疲劳裂纹扩展特性。其中包括疲劳裂纹扩展速率测定，疲劳门槛值测量和疲劳裂闭合特性研究。为现有钢结构疲劳剩余寿命的安全评估提供了参考依据。     

疲劳门槛的工程设计意义

本文讨论了疲劳裂纹扩展门槛△K_(th)作为工程设计准则的前提条件。分析结果表明:△K_(th)对疲劳设计的相关性和重要性主要与设计方法、构件服役载荷谱及无损检测技术水平有关。