低周疲劳精密下料新工艺及试验研究

传统的金属棒料下料工艺存在着材料利用率低、能耗高、生产效率低以及下料断面质量差等问题。采用一种新的下料工艺-周向加载低周疲劳精密下料技术,利用V形槽的应力集中效应,促使棒料V形槽底尖端处疲劳裂纹的萌生及疲劳裂纹的快速扩展。描述周向加载低周疲劳精密下料机的工作原理。给出在低周疲劳下棒料V形槽根部裂纹是否起裂的判据。采用两种控制曲线对5种材料(20钢、H59、45钢、20Cr和LY12)的棒料进行试验研究,实现加速棒料裂纹的产生、扩展并获得良好的棒料断面质量。试验结果表明,V形槽的应力集中效应可以有效地减小棒料下料过程中的平均应力,在不断增加打击位移的同时减小冲击频率可以保证棒料裂纹的稳定扩展和断裂。     

双频振动载荷下带V形槽铝合金棒料的断裂行为

针对金属棒料低应力分离过程中裂纹萌生扩展速率低的问题,提出一种基于双频振动的加载方法,探究带V形槽7A09铝合金棒料的断裂行为。研究了双频振动对带V形槽金属棒料裂纹萌生扩展的作用机理,通过研发双频激振装置,对带V形槽7A09铝合金棒料进行了实验研究。实验结果表明,相对于单频振动加载方法,双频振动载荷能够大幅缩短带V形槽7A09铝合金棒料的分离时间,有效提高裂纹萌生扩展的速率与稳定性,棒料断面几何精度高。     

应力集中和表面完整性对平尾大轴抗疲劳性能的影响

某型飞机平尾轴在进行台架试验时发生断裂,失效分析表明,该轴的断裂性质为疲劳断裂,裂纹起源于大轴筒体内腔变截面过渡圆弧根部的加工刀痕谷底。通过对大轴进行扫描电镜观察分析,发现使用过的旧大轴内表面存在10～16 μm厚的“疏松”层,疏松层内有较多的疲劳微裂纹和孔洞,该“疏松”层是大轴服役中氧化腐蚀和疲劳损伤所形成的。“疏松”层的存在破坏了大轴的表面完整性,降低了大轴材料的抗疲劳性能。有限元建模分析表明,变截面台阶造成的结构应力集中和粗糙加工刀痕形成的附加应力集中是造成大轴疲劳断裂的力学因素,两种应力集中因素的联合作用降低了大轴的疲劳寿命,导致大轴在变截面过渡圆弧根部的加工刀痕谷底萌生疲劳裂纹。综合分析表明,大轴内表面“疏松”层的存在以及变截面台阶造成的结构应力集中和粗糙加工刀痕形成的附加应力集中是大轴发生疲劳断裂的主要原因。     

断路器轴销断裂机理分析

某断路器的操作过程中发生40Cr轴断裂,从断口分析、化学成分分析、硬度检测、金相分析等对轴断裂的原因进行分析。结果表明:轴针端部盲孔过渡弧曲率半径偏小,加工粗糙程度大而造成的应力集中,是销轴发生断裂失效的重要的外部因素;同时轴针端盲孔的过渡圆弧性能偏低,工作中造成应力集中,并萌生疲劳裂纹源,裂纹不断扩展,最终导致了低周疲劳断裂。     

八种钢的恒幅和变幅疲劳性能

构件总的疲劳寿命是由裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终断裂所组成。选择材料常常以恒幅疲劳性能为基础,这种性能不一定能够提供合理的设计依据。以裂纹萌生尺度为判据的应变控制低周疲劳性能,业已用作疲劳寿命的主要预测基准,就象常幅疲劳裂纹的扩展曾作为预测基准一样。但在变幅加载情况下,因为忽略了疲劳过程的某些部分和没有较多的合适资料,所以两种基准都不可能是完善的。本文提供了八种钢恒幅裂纹扩展的数据以及四种不同变幅载荷谱的疲劳结果,其中包括裂纹的萌生、裂纹的扩展至断裂。把从恒幅疲劳裂纹扩展行为得出的材料评价用于变幅载荷下裂纹的萌生和扩展可能是不正确的。     

新型低应力弯曲下料外力加载模式的研究

针对新型低应力弯曲下料中棒料V型槽尖端形状的特殊性,提出对V型槽尖端起裂和裂纹扩展分别处理,采用应力集中系数计算V型槽尖端起裂所需的初始外力,采用裂纹扩展门槛值计算V型槽尖端裂纹扩展所需的外力。利用曲线拟合方法,耦合出外力与裂纹起裂扩展长度间呈近似1/4凹圆弧递减关系。基于低应力下料特点,设计4种形式的外力控制曲线。下料实验结果表明,所提出的凹圆弧递减外力控制曲线能使下料时间最短、断面质量最好。     

含夹杂物轴承钢中裂纹的萌生与扩展

针对轴承钢中夹杂物周围应力集中导致的疲劳剥落,建立了一种结合连续损伤力学的内聚力模型,用于模拟滚动接触循环加载下的裂纹萌生与扩展。基于内聚力模型的损伤起始准则和损伤演化规律,利用VUMAT子程序结合连续损伤力学构造了新的损伤演化方式,实现循环加载下的损伤累积,建立了基于内聚力模型的疲劳损伤累积失效模型,对含夹杂物模型的疲劳裂纹萌生与扩展进行了模拟,并研究了载荷条件和接触区摩擦因数对裂纹萌生与扩展以及疲劳寿命的影响。研究结果揭示了微观裂纹的萌生与扩展过程,为认识滚动接触疲劳提供了基础。     

推流器耦合架螺栓断裂的原因

某推流器耦合架联接螺栓在运行过程中发生断裂;通过断口形貌观察、化学成分分析、硬度测试、显微组织分析、强度校核及有限元模拟分析了螺栓断裂的原因。结果表明:螺栓发生了疲劳断裂;在螺栓和螺母联接部位第一道螺纹根部的应力集中明显,在交变拉伸载荷作用下,该部位萌生裂纹并发生扩展,直到螺栓断裂;螺栓材料中镍和钼含量偏低、硬度偏高、组织中存在孔洞和夹杂物等缺陷、螺纹根部应力集中明显以及交变应力幅较大是导致螺栓疲劳断裂的主要因素。     

轻烃站原料气压缩机A机进气阀阀盖螺栓的断裂原因

通过对某油田轻烃站原料气压缩机A机进气阀阀盖螺栓的断口形貌、化学成分、显微硬度、显微组织、受力情况等进行分析,讨论了螺栓失效的原因。结果表明:螺栓的断裂性质为疲劳断裂,疲劳裂纹在螺纹根部萌生;螺纹根部存在因加工不当而出现的缺口、凹坑等缺陷,缺陷处易产生应力集中而成为疲劳裂纹源,在压缩机工作时产生的交变应力作用下微裂纹扩展,并最终导致螺栓的断裂;建议在螺栓加工过程中,采用表面喷丸、渗碳、渗氮等工艺在螺纹根部表面引入残余应力,严格按照高强紧固件的热处理要求进行调质热处理,严格按照压缩机的使用要求紧固螺栓,并定期检查和更换螺栓。     

氢气含量与加载频率对X80钢管接头疲劳裂纹扩展速率的影响

在氮气,体积分数均为2%的H₂+CO₂以及体积分数分别为5%,2%的H₂+CO₂环境中,对X80钢管接头试样进行不同加载频率(0.1,1.0,10.0 Hz)的疲劳裂纹扩展试验,研究了氢气含量和加载频率对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明：当加载频率为1.0 Hz时,氢气含量越高,接头母材、热影响区和焊缝裂纹扩展速率越大,且焊缝中的裂纹扩展速率增大程度最大;含氢环境中焊缝的疲劳裂纹扩展速率小于母材和热影响区;当氢气体积分数为5%时,母材和热影响区均发生韧性断裂,但疲劳断口上存在微小的二次裂纹和少量平台状结构等脆性断裂特征,焊缝疲劳断口出现长度近80μm的二次裂纹,但断口形貌仍主要呈韧性断裂特征;氢气体积分数为5%时,随着加载频率增加,母材的疲劳裂纹扩展速率先增大后减小,加载频率为1.0 Hz时的疲劳裂纹扩展速率最大。     

多轴疲劳裂纹扩展行为研究

利用扫描电镜对多轴比例和非比例加载下的疲劳试样的断口面和外表面进行扫描观测分析。根据薄壁管拉一扭复合加载试件断口附近表面观测结果，统计其裂纹扩展的位向，研究多轴疲劳裂纹萌生及扩展机理。研究表明，多轴疲劳裂纹主要是沿最大剪切平面或垂直于管形试样的轴线方向扩展。在多轴比例加载条件下，裂纹分布的分散性较小。在非比例加载条件下，随着相位差的增大，分散性增大。     

Ti-6Al-4V燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究

针对Ti-6Al-4V钛合金燕尾榫连接结构在不同载荷下的微动疲劳现象,采用榫形微动疲劳试验进行研究,并对裂纹萌生扩展、微动磨损及断口进行分析。结果表明,微动疲劳使构件疲劳寿命显著降低约70%;疲劳载荷对微动裂纹扩展的影响比对裂纹萌生的影响更大;微动疲劳裂纹起始于接触面边缘,与接触表面约成45°角,裂纹扩展到60~150μm后转向与接触表面垂直;微动疲劳断口形貌表面在微动磨损区具有多个裂纹源点,但只有一个主裂纹形成。     

Fretting fatigue crack initiation and propagation behavior of Inconel 690 alloy

Several studies have been conducted on the fretting fatigue limit characteristics of Inconel alloy tube material used in steam generators of nuclear power plants. Nevertheless, additional research on fretting fatigue crack initiation and propagation behavior is necessary in order to evaluate its fretting fatigue life more accurately. In this study, crack growth tests of fretting fatigue are conducted, and the characteristics of fatigue crack initiation and propagation are analyzed on Inconel 690 alloy. Also, plain fatigue crack growth tests are performed on the same material, and the results are compared with those of fretting fatigue crack growth tests. From both of the plain and fretting fatigue crack growth test results, the ΔK-da/dN diagrams are obtained and the crack growth rates are compared. It is found that the crack growth rate for fretting fatigue tests is faster than that for plain fatigue tests under a certain value of DK. However, over this value of DK, the crack growth rate for fretting fatigue tests becomes slower than that for plain fatigue tests due to debris which is produced by fretting and trapped in the propagated cracks. Finally, the fracture surfaces examined by an optical microscope, and the initiation angles of the oblique cracks are determined under various applied stresses. Also, the microstructure of the fracture surfaces is observed by a Scanning electron microscopy (SEM).     

Fatigue crack propagation behavior in STS304 under mixed-mode loading

The use of fracture mechanics has traditionally concentrated on crack growth under an opening mechanism. However, many service failures occur from cracks subjected to mixed-mode loading. Hence, it is necessary to evaluate the fatigue behavior under mixed-mode loading. Under mixed-mode loading, not only the fatigue crack propagation rate is of importance, but also the crack propagation direction. In modified range 0.3≤a/W≤0.5, the stress intensity factors (SIFs) of mode I and mode II for the compact tension shear (CTS) specimen were calculated by using elastic finite element analysis. The propagation behavior of the fatigue cracks of cold rolled stainless steels (STS304) under mixed-mode conditions was evaluated by using K_I and K_II(SIFs of mode I and mode II). The maximum tangential stress (MTS) criterion and stress intensity factor were applied to predict the crack propagation direction and the propagation behavior of fatigue cracks.     

比例与非比例加载下多轴疲劳断口分析

利用扫描电镜对多轴比例和非比例加载下的薄壁管多轴疲劳试样的断口表面进行扫描观测分析。根据试件不同加载路径下的疲劳断口观测结果,研究多轴疲劳裂纹萌生及扩展机理。结果分析表明,比例加载下疲劳断口形式与单轴情况相似,具有Ⅰ型疲劳条纹特征。非比例加载下断口形式主要表现为Ⅰ型与Ⅱ型混合型断口特征。结合多轴非比例加载下的宏观力学条件,在微观机理方面探讨多轴非比例循环下的附加强化机制。     

换热器试运行期间管束焊缝发生疲劳断裂分析

采用金相、扫描电镜方法对304L不锈钢换热管试运行期间的焊缝开裂进行了分析。宏观分析和微观分析表明管子与管板连接的焊缝断裂是疲劳破坏所致。流体诱导导致的管束共振是换热管短期失效的主要原因,胀接不合格、焊接缺陷加速了管束的疲劳失效。     

Surface fatigue of plain bearings

Soft bearing materials that are subjected to dynamic working conditions develop fatigue cracks. The initiation and propagation towards failure and the factors controlling the fatigue mechanism are not fully understood.Research to acquire experimental fatigue data under controlled conditions and to define the nature of the stresses particular to certain dynamic conditions has been carried out. The experimental work was performed on four test rigs having different patterns of loading cycles. The stresses characteristic of each loading pattern were determined. Good correlation between the location of fatigue cracks and the area of maximum stresses was found.     

S135钻杆钢的单轴疲劳性能对比

通过疲劳试验测定了S135钻杆钢在单轴对称拉-压和扭-转加载条件下的疲劳寿命,应用回归分析方法得到了单轴疲劳寿命的定量公式,并对疲劳断裂的机制进行了分析。结果表明:在双对数坐标中,疲劳寿命与有效应力幅呈良好的直线关系;扭-转疲劳极限与拉压疲劳极限之比为0.682;拉-压加载和扭-转加载下的裂纹均萌生于试样表面;拉-压疲劳试样的裂纹扩展以疲劳条带为主要特征;扭-转疲劳试样的裂纹扩展以剪切型涟波花样为主要特征。