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。     

拉扭应力幅比对LZ50钢短裂纹行为的影响

在保持等效应力幅一致的前提下,开展LZ50钢在7种不同拉扭应力幅比(λ)载荷作用下的疲劳短裂纹复型试验。结果表明,拉扭应力幅比的变化未改变短裂纹萌生与扩展总体规律。裂纹均萌生于铁素体晶粒内部或晶界处,在微观短裂纹阶段受铁素体晶界和珠光体带状结构边界阻碍,扩展速率出现两次较明显下降;进入物理短裂纹阶段后,微观结构对裂纹扩展影响减弱,扩展速率持续上升。同时,随着拉扭应力幅比减小,相同短裂纹尺度下的扩展速率下降,断裂面与试样轴向的夹角逐渐减小,裂纹由单源萌生逐渐过渡为多源萌生,试样疲劳寿命呈增加趋势。此外,通过构建拉扭应力幅比—寿命曲线方程,证明相同等效应力幅条件下,轴向拉压载荷对材料的疲劳损伤贡献大于扭转载荷,且随着拉扭应力幅比的减小,试样疲劳寿命提高的程度不断增强。     

微观结构下多晶材料的疲劳损伤模型及裂纹的数值模拟方法

考虑多晶材料疲劳行为受晶粒拓扑结构的影响,建立了多晶材料Voronoi镶嵌的有限元微观结构模型,并在Voronoi边界插入内聚力单元模拟晶界特性。在此基础上,基于Abaqus双线性内聚力本构关系,建立了内聚力单元的疲劳累积损伤模型,定义了损伤变量,损伤判据以及损伤规律;通过Abaqus UMAT(User-defined material mechanical behavior)子程序编写了内聚力单元疲劳损伤的数值计算程序,实现了对微观结构下材料滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的行为模拟。以滚子与滚道的接触疲劳分析为例,将数值模拟结果与实测结果相比,表明了该数值仿真方法模拟多晶材料裂纹形成和扩展的有效性。     

钢轨材料对滚动接触疲劳影响及高速铁路选轨研究

使用JD-1型轮轨模拟试验机针对淬火和热轧的PD3和U71Mn四种钢轨试样进行模拟试验,采用赫兹接触理论在实验室条件下模拟轮轨试样间的摩擦相互作用过程与现场中的相似.利用机械式光电分析天平通过称重法测量钢轨试样的磨损量,使用光学显微和扫描电子显微镜对钢轨滚轮试样进行微观分析,对高速铁路的钢轨选择提供依据.结果表明,材料硬度越高,磨损量越小,磨损面附近塑性变形层越薄,抗磨损性能越好,但高硬度材料裂纹扩展较深,疲劳损伤严重.硬度略低的材料,磨损量大,磨损面附近塑性变形明显,但由于部分刚萌生的微裂纹被磨去,疲劳损伤较为轻微.高速钢轨损伤主要以疲劳为主,U71Mn热轧钢轨有较好的抗疲劳性能,更适合于高速铁路铺设使用.     

疲劳载荷下复合材料分层损伤扩展的数值模拟方法

为了研究复合材料层合结构在疲劳载荷下的分层扩展行为,开发了复合材料层间疲劳损伤数值计算模型。定义层间材料模型包括层间材料本构关系、损伤判据以及疲劳损伤演化法则。疲劳损伤通过定义内聚力单元损伤变量的演化规律来表示。通过有限元商用软件,考虑到疲劳问题的特点,运用加速算法和疲劳载荷等效原理,并结合自定义材料子程序实现了疲劳损伤的模拟。最后,运用该模型模拟了层状复合材料双悬臂梁的疲劳分层扩展,并将数值模拟结果与实验数据对比,表明该模型在模拟层间裂纹的形成和扩展的有效性。     

外物损伤对钛合金TC4高周疲劳强度的影响研究

航空发动机风扇/压气机叶片工作时易遭受毫米级尺度硬物冲击产生的外物损伤(foreign object damage,FOD),在高频振动疲劳载荷作用下,FOD极易诱使裂纹萌生并快速扩展,引起叶片的疲劳断裂失效。利用空气炮试验系统,开展了TC4平板试样的FOD模拟试验,对冲击损伤的宏观和微观特征进行了分析,冲击损伤区域有较明显的塑性变形、微裂纹和褶皱等特征。试验研究了FOD对TC4合金高周疲劳强度影响,得到了损伤大小对疲劳强度的影响规律。研究结果表明冲击损伤为疲劳裂纹的萌生提供了有利条件,基于光滑缺口假设的传统缺口疲劳理论在进行FOD试样的疲劳强度预测时能反映冲击损伤对疲劳强度的影响规律,但存在一定的误差。     

三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹实验研究及数值模拟

依据16MnR材料三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹的实验分析结果，提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型。模型考虑了材料细观组织、细观结构影响及裂纹之间的相互作用，并用该模型对16MnR材料表面疲劳短裂纹群体演化全过程进行了数值模拟分析，结果表明模拟结果与实验结果基本一致，该模型能有效地用于短裂纹的模拟。最后提出微观短裂纹萌生驱动力与扩展驱动力概念。     

双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展

针对典型承受高、低周双频复合载荷的水轮机叶片、电机转子用钢进行了低周疲劳、高低周双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展规律的探讨。在频率比确定的条件下,载荷比是影响双频疲劳裂纹萌生及扩展的一个重要因素。随着载荷比的升高,疲劳裂纹萌生寿命大大缩短,裂纹扩展速率加快,疲劳断口呈现明显的周期特征。高、低周双频复合疲劳载荷各自的独特作用以及高、低周载荷在裂纹尖端引起的塑性区的交互作用是造成疲劳断口独特形貌的主要原因。     

中间退火使疲劳损伤钢延寿的微观力学解释

在恒应变控制下测试调质合金钢试样 90 %存活率的疲劳寿命Nf,然后将其他试样分别疲劳损伤到 0 .1Nf、0 .2 5Nf、0 .5Nf、0 .8Nf周次后进行中间退火 ,再继续测试剩余疲劳寿命。结果表明中间退火可以延长疲劳寿命。微观检验表明 :调质钢是由弥散碳化物质点和铁素体组成的两相组织 ,碳化物是裂纹源。借助于静载荷下解理断裂的微观力学模型和公式 ,可以解释微观参数对在碳化物或碳化物与基体界面萌生微观裂纹和向基体延伸的影响 ,但必须考虑随着疲劳损伤而发生的微观参数的变化。用此微观力学模型和公式也可以解释中间退火延寿机理。中间退火消除了胞状结构 ,使杆状碳化物转变成球状碳化物 ,减少了应力集中、扩散了晶区的有害元素 ,恢复和提高了萌生裂纹的表面能 ,恢复了材料的有效门槛值ΔKth·eff,减慢了由微观裂纹向宏观短裂纹扩展速率 ,从而恢复或提高了材料的疲劳寿命     

基于宏—细观模型的疲劳裂纹萌生数值模拟

为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,提高结构疲劳寿命预估精度,根据Tanaka-Mura单一微裂纹及裂尖微裂纹萌生寿命预测模型,模拟疲劳载荷下某马氏体钢孔边疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,生成代表多晶结构的二维特征单元。考虑晶粒内相互垂直的多滑移特性以及已起裂裂纹对相邻晶粒裂纹萌生的影响,建立微裂纹起裂与扩展的改进模型。中心孔平板试件疲劳寿命的数值模拟结果与试验值吻合良好,说明给出的改进宏细观疲劳寿命预测模型的有效性。     

基于剪切形式的多轴疲劳寿命预测模型

在多轴损伤临界面的基础上,结合多轴疲劳损伤和裂纹萌生与扩展的特点,提出了一种剪切形式的多轴疲劳损伤参量,该参量不含有材料常数,进而建立了一种新的多轴疲劳寿命预测模型,经多轴疲劳试验验证表明,所建立的寿命预测模型可同时适用于多轴比例与非比例循环加载。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

辗轧工序对车轮摩擦磨损和接触疲劳性能的影响

为研究辗轧工序对车轮使用性能的影响,选择经辗轧工序成形和直接钢水浇筑成形的2种车轮材料,利用GPM-30试验机开展摩擦磨损和接触疲劳性能研究,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、ASPEX分析仪、EBSD分析2种车轮材料在不同接触应力状态下摩擦磨损和接触疲劳裂纹萌生扩展行为。结果表明:辗轧工序能够有效地细化车轮材料晶粒,减小珠光体片层间距,从而改善车轮微观组织,减少不均匀塑性变形,抑制裂纹的萌生和扩展,减少磨损量,延长接触疲劳寿命;同时发现夹杂物的形态影响接触疲劳试验亚表面裂纹的萌生。     

BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

基于损伤力学的某飞机构件冲击疲劳寿命预估

某飞机起落系统中某重要构件在飞机往复起落中承受循环冲击载荷作用,需对该构件的冲击疲劳强度进行分析。损伤力学方法对冲击疲劳问题来说是一种新的分析方法。首先分析构件在静载荷作用下的细节应力,判明疲劳危险点,接着分析得到危险点在冲击载荷作用下的应力响应。然后构建冲击型损伤演化方程,并识别其中的材质参数,提出将应力响应视为载荷谱的应力应变场—损伤场解耦处理方式,发展了损伤力学—有限元法,使其可用于预估构件冲击疲劳裂纹萌生寿命。而后应用该方法对构件在冲击疲劳载荷与非冲击疲劳载荷作用下的疲劳裂纹萌生寿命进行预估,得到寿命预估结果,进而比较得到冲击疲劳载荷作用下和非冲击疲劳载荷作用下构件寿命的当量关系,为该构件的等效疲劳试验提供重要参考依据。     

基于声发射技术的金属高频疲劳监测

采用声发射技术监测高频疲劳条件下金属材料裂纹的扩展。介绍了如何运用软硬件处理的方法，从采集到的信号中分离出裂纹扩展的声发射信号。从处理后的声发射信号与观察得到的裂纹扩展对比来看，声发射参数的变化能够有效地反映材料疲劳裂纹扩展的过程，并且能更早地发现试样内部微小裂纹的变化。通过试验，得出了紧凑拉伸试样在裂纹稳定扩展阶段声发射信号能量率与应力强度因子幅值之间的关系式。     

点焊接头疲劳损伤过程中的固有频率变化特性研究

利用有限元模拟和动态响应实验对单点点焊接头的疲劳过程中固有频率变化的特性进行研究.结果表明,三维有限元模拟与实验结果相吻合,能较好地模拟点焊接头在两种疲劳裂纹萌生和扩展的过程中频率的变化情况.并利用所模拟的裂纹长度和固有频率的关系,总结出最适宜对疲劳损伤进行研究的模态阶数.