Q235材料的Paris常数C、m及△Kth值测试

以大型机械结构最常用的Q235板材(等同于ASTM A36)为研究对象,在实验室条件下测取裂纹扩展速率的Paris常数C、m,并验证与轧制方向垂直的裂纹受平行于轧制方向应力作用时最易扩展的结论.同时以应力比R=0.1加载试验数据外延计算获得其门槛值△Kth(da/d/N=0.5×10-6mm/cycle时).     

Q235材料的Paris常数C，m及ΔKth值测试

以大型机械结构最常用的Q235板材(等同于ASTM A36)为研究对象,在实验室条件下测取裂纹扩展速率的Paris常数C、m,并验证与轧制方向垂直的裂纹受平行于轧制方向应力作用时最易扩展的结论.同时以应力比R=0.1加载试验数据外延计算获得其门槛值△Kth(da/d/N=0.5×10-6mm/cycle时).     

PE100管材慢速裂纹扩展行为研究

从PE100管材中直接制取环切圆棒试件(Cracked Round Bar,CRB),根据ISO 18489在不同应力比R=0. 1,0. 2和0. 3下进行疲劳裂纹扩展试验并得到裂纹扩展规律。采用外推法将试验结果外推得到R=1(即表示蠕变)时的裂纹扩展规律。对含有内部环向半椭圆表面裂纹缺陷的PE管材进行剩余寿命计算,得到了在50年服役寿命下的最大允许裂纹尺寸和相应的应力强度因子值。     

X70管线钢在模拟土壤介质中的裂纹扩展行为研究

试验研究高应力比 (R =0 .9)载荷下X70管线钢的裂纹扩展行为。结果表明 ,在加载频率f =10Hz ,应力比R =0 .9时 ,环境介质对X70管线钢裂纹扩展门槛值没有明显影响 ,其值在 2 .3 7MPa·m1/2 ～ 2 .5 1MPa·m1/2 范围内变动 ,对应最大应力强度因子为 2 3 .7MPa·m1/2 ～ 2 5 .1MPa·m1/2 。在模拟碱性和近中性土壤介质中 ,X70管线钢裂纹扩展门槛值保持不变 ,为 2 .45MPa·m1/2 ～ 2 .48MPa·m1/2 ;环境对裂纹扩展的加速作用表现为在近中性介质中的裂纹扩展系数高于碱性土壤介质裂纹扩展系数。在近中性土壤介质中 ,随着加载频率的降低 ,裂纹扩展门槛值略有下降 ,但仍表现强烈的门槛值特征     

应力比对ST 12低碳钢疲劳裂纹扩展速率的影响

在不同应力比(R=0.2,-0.3,-1)下对ST12低碳钢板进行疲劳裂纹扩展速率测试,采用Newman裂纹闭合模型分析得到了以有效应力强度因子范围进行表征的裂纹扩展速率曲线。结果表明:不同应力比下ST12低碳钢板的疲劳裂纹扩展速率均随着裂纹长度的增加而增大;当应力强度因子范围一定时,裂纹扩展速率随着应力比的增加而增大;ST12低碳钢断裂时的应力强度因子范围随着应力比的增加而降低;以有效应力强度因子范围表征裂纹扩展速率时,不同应力比下的裂纹扩展速率曲线基本一致,裂纹闭合是导致不同应力比下裂纹扩展速率差异的主要原因。     

复合型裂纹扩展的有效应力准则

利用弹塑性理论中的有效应力概念,将裂纹体的复杂应力状态与单轴拉伸应力状态相联系;并考虑金属材料的裂纹扩展不可避免地伴随着裂纹尖端附近的局部塑性变形,裂纹总是沿最短路径穿过塑性区向弹性区扩展,因此裂纹尖端弹塑性区边界至裂纹尖端的最短路径,将决定裂纹扩展方向.在此基础上导出复合型裂纹扩展的有效应力准则.     

2E12铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

研究了2E12合金在不同应力水平下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率,采用透射电镜和扫描电镜观察了该合金的微观组织和断口形貌特征.结果表明:高纯2E12合金具有良好的耐损伤疲劳性能,当应力比R=0.1时,疲劳强度σ=172 MPa,R=0.5时的疲劳强度σ=280 MPa,比R=0.1时提高了60%,缺口的存在降低了疲劳强度.R=0.1,△K=30 Mpa·m1/2时,da/dN约为2.7×10-3 mm/周,比国产2024合金裂纹扩展速率(6.5×10-3 mm/周)低60%左右.2E12合金疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区三部分组成,裂纹萌生一般位于试样表面应力集中处或不同类型的缺陷部位.     

MDYB-3有机玻璃裂纹扩展温度效应试验研究

随着对飞机性能要求的提高,对机用有机玻璃的要求愈来愈高.目前飞机舱盖玻璃表面温度在-55℃～100℃范围内变化,因此,研究飞机舱盖MDYB-3有机玻璃温度效应具有十分重要的意义.文中采用CT(compact tension)试样对MDYB-3有机玻璃在-50℃～90℃范围内进行裂纹扩展试验,研究温度对MDYB-3有机玻璃裂纹扩展速率的影响.应用线弹性断裂力学理论,分析不同环境温度下裂纹扩展速率与等效应力强度因子ΔK之间的关系.试验结果表明,MDYB-3有机玻璃随着温度升高,裂纹扩展速率减小,断裂韧度增大;低温时MDYB-3有机玻璃表现为脆性,裂纹扩展十分平滑,断面垂直于拉伸方向,温度较高时MDYB-3有机玻璃表现为粘性,裂纹扩展面凹凸不平.     

裂纹起始扩展阻力J_i与基本力学性能的关系

韧性裂纹开始扩展的J积分值对于韧性断裂的工程构件是一个重要的材料性能指标。统计了三个钢种两种焊缝 2 0 0多个J积分值。发现当裂纹生长量Δa <0 .6mm时 ,Δa与J积分值存在线性关系 ,可以用J =J0 +K(Δa)表示 ,式中K =di dΔa(Δa =a0 +da) ,a0 是J—Δa曲线与钝化线的交点。当da =0时的J值以Ji 表示 ,它表示了韧性裂纹开始扩展时的J积分值。实验证明 ,只有Ji 与静拉伸发生颈缩时的颈缩比功有良好的线性相关性 ,从而由Ji 换算得KⅠC也应与颈缩比功线性相关 (相关系数 >99% ) ,而与静力韧度无关。而韧性裂纹开始扩展以后 ,各个扩展量下的JR 值与静力韧度、颈缩比功无任何相关性。从J积分的条件、裂纹尖端的特征、断裂的微观机理对试验结果进行了分析。从工程应用角度出发 ,说明Ji 与屈服强度与强度极限之比 (称屈强比 )无关 ,低屈强比不是保证缺陷 (或微裂纹 )抵抗其扩展的有效方法 ,有效的方法是提高强度的同时 ,不降低均匀塑性变形能力Ψb,这可以通过提高冶金质量如细化晶粒来实现。     

HG80钢及其焊接接头的疲劳裂纹扩展

为适应大型工程机械焊接用钢需要，对低合金高强度钢HG80及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明，疲劳裂纹扩展速率对钢板的轧制方向不敏感，焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展速率明显低于基材。在排除焊接残余应力导致的裂纹闭合效应后，焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展速率与基材相当。     

两种定向凝固镍基高温合金蠕变断裂的研究

用光学显微镜直接观测裂纹长度的方法研究了DZ-9,DZ-3合金在中温(760℃)下蠕变裂纹的扩展行为。当裂纹体平行于柱状晶生长方向时,裂纹扩展速率da/dt与应力强度因子K_1,净截面应力σ_N的关系符合Paris公式:da/dt=AK_(I~m)或da/dt=Bσ_(N~n)。DZ-3经热处理后比铸态具有更高的裂纹扩展抗力,更长的孕育期和断裂寿命。DZ-3此DZ-9有较高的裂纹扩展抗力,较长的孕育期和断裂寿命。当裂纹体垂直于柱状晶生长方向时,大大提高了裂纹扩展的抗力。组织结构分析表明:初生MC和共晶γ-γ′是微裂纹的策源地。裂纹尖端塑性区的位错组态与普通中温(T60℃)高应力蠕变试验条件下的非常相似。     

基于新裂纹扩展驱动力参量的焊接接头疲劳裂纹扩展的研究

传统上疲劳裂纹扩展速率以一个参量——应力强度因子幅(PARIS模型)或有效应力强度因子幅(ELBER模型)来表达。PARIS模型不能统计应力比效应和变幅加载历史。ELBER裂纹闭合模型虽被广泛应用,但确定其开闭口载荷的测量方法很多,且测量结果均存在主观性。最近研究表明,疲劳裂纹扩展不仅依赖于应力强度因子幅,还与最大应力强度因子有关。并且KUJAWSKI提出了两参量模型,该模型避开了有争议的裂纹闭合效应。基于一个载荷循环中柔度变化与裂纹尖端开闭口与弹塑性行为的关系,提出一个新的具有物理意义的两参量驱动力模型。针对Q345钢焊接接头各区域进行两种应力比R=0.1和0.5的疲劳裂纹扩展试验。使用该模型针对Q345钢焊接接头各区域的疲劳裂纹扩展数据进行验证。结果表明,提出的新模型在预测应力比对裂纹扩展速率的影响时比上述三个模型更有效。     

基于累积损伤的渗碳齿轮钢疲劳寿命预测模型构建

采用轴向高频疲劳试验机进行超高周疲劳实验,研究了不同应力比(R=0和R=0.3)下渗碳齿轮钢疲劳特性。结果表明：在应力比为0和0.3时,渗碳齿轮钢的失效形式分为表面失效和内部失效。内部失效过程分为疲劳裂纹萌生阶段(夹杂-细颗粒区(fine granular area, FGA))、稳定扩展阶段(FGA-鱼眼)和瞬间断裂(鱼眼之外)。基于累积损伤法,建立了内部裂纹萌生和扩展阶段的疲劳寿命预测模型;最终建立了渗碳齿轮钢多应力比下的全寿命预测模型,预测精度较高。     

恒幅和单峰超载疲劳裂纹尖端区域残余应力场的数值模拟

采用弹塑性有限元方法,对恒幅及不同超载比的单峰超载作用下的裂纹扩展进行有限元模拟.通过模拟得到的裂纹扩展过程中裂尖塑性区及应力(残余应力)场分析产生裂纹闭合的原因以及对裂纹扩展的影响.结果表明,从残余应力角度分析裂纹扩展是可行的,为建立基于残余应力的裂纹扩展模型提供分析基础.     

裂纹起扩展阻力Ji与基本力学性能的关系

韧性裂纹开始扩展的J积分值对于韧性断裂的工程构件是一个重要的材料性能指标.统计了三个钢种两种焊缝200多个J积分值.发现当裂纹生长量Δa＜0.6 mm时,Δa与J积分值存在线性关系,可以用J=J0+K(Δa)表示,式中K=di/dΔa(Δa=a0+da),a0是J-Δa曲线与钝化线的交点.当da=0时的J值以Ji表示,它表示了韧性裂纹开始扩展时的J积分值.实验证明,只有Ji与静拉伸发生颈缩时的颈缩比功有良好的线性相关性,从而由Ji换算得KIC也应与颈缩比功线性相关(相关系数＞99%),而与静力韧度无关.而韧性裂纹开始扩展以后,各个扩展量下的JR值与静力韧度、颈缩比功无任何相关性.     

多重基体开裂对平纹编织C/SiC复合材料断裂强度的影响

平纹编织C/SiC复合材料含裂纹试件受拉伸载荷时,裂纹尖端出现垂直于载荷方向的基体开裂损伤带。对试件断口观察,发现拉伸带宽度约等于纤维束宽度;裂纹扩展时,拉伸带内垂直于裂纹面的纤维束形成对裂纹面的桥联。试验结果显示,桥联纤维束出现多重基体开裂的材料断裂强度较高;而纤维束断面平整,未出现多重基体开裂的材料断裂强度相对较低。基于D-B(Dugdale-Barrenblett)模型,研究纤维束多重基体开裂损伤对C/SiC复合材料断裂强度的影响。发现多重基体开裂损伤引起纤维束非线性应力应变关系,能显著提高平纹编织C/SiC复合材料含裂纹件的断裂强度。对于平纹编织C/SiC复合材料,长度参数L0=G/(Fσ20)可以表征材料内桥联机制作用的范围。当裂纹裂纹长度a≥6 mm时,线弹性断裂力学对于平纹编织C/SiC复合材料是适用的。     

基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准则

提出一个复合型裂纹等效应力断裂准则，用以解决工程上普遍存在的复合型裂纹的断裂问题。该准则通过借鉴强度理论对复杂应力状态的处理方法，将等效应力作为度量复合型裂纹开裂的基本物理量。该准则在预测发生临界扩展时提出两个基本假设，(1)裂纹沿着等效应力最小的方向开始扩展。(2)等效应力达到临界值时裂纹开始扩展。根据选取的等效应力计算公式的不同，等效应力准则有不同的形式，当等效应力的计算采用总应变能理论时，等效应力准则等价于应变能密度准则；当等效应力采用σr时，等效应力准则可近似逼近最大周向应力理论。采用统一强度理论计算等效应力。最后通过与实验结果及其他理论的计算结果对比，验证基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准则满足工程精度要求，且适用性好。     

基于GTN模型的冷轧硅钢边部裂纹扩展研究

针对硅钢板容易在冷轧过程中形成边部裂纹,使用Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)微观损伤模型对带有边部微小缺口的硅钢板在冷轧过程中损伤分布以及裂纹的萌生和扩展进行研究。通过拉伸试验和扫描电镜观察分析得到材料的损伤参数f0、fc和fF,进而通过有限元软件ABAQUS模拟得到各轧制工艺参数对缺口尖端区域损伤分布及微裂纹萌生与扩展的影响,仿真与试验结果表明,在缺口尖端形成两条损伤带,最大损伤值随着压下率的增大而增大,同时裂纹长度随着压下率的增大而迅速增加;当工作辊半径较小时更加容易出现裂纹;沿着轧制方向缺口前侧的比后侧更容易产生裂纹,两侧的裂纹长度都随着摩擦因数的增大而增大;裂纹长度会随着张力的增大而明显增大。研究结果为轧制工艺参数的选择提供理论依据和参考。     

含双裂纹齿轮副轮齿裂纹扩展寿命分析

裂纹扩展是齿轮传动的主要故障,而且裂纹所处位置对裂纹扩展行为作用明显。为探讨齿轮副轮齿裂纹位置与裂纹扩展寿命的关系,提出几种相邻轮齿含分度圆裂纹和齿根裂纹的双裂纹齿轮副模型,基于ABAQUS建立齿轮副的三齿啮合有限元分析模型,分析不同载荷作用下分度圆裂纹和齿根裂纹尖端的主应力值和应力强度因子值;结合Pairs方程探讨分度圆裂纹扩展和齿根裂纹扩展寿命之间的关系。结果表明:齿轮副单齿啮合时的裂纹尖端应力比齿轮副双齿啮合时的裂纹尖端应力大,而且裂纹尖端的弯曲应力明显大于剪切应力;同一载荷同一裂纹深度时,齿根裂纹尖端的应力强度因子值大于分度圆裂纹尖端的应力强度因子值;相同加载时,含齿根裂纹齿轮的裂纹扩展寿命小于含分度圆裂纹齿轮的裂纹扩展寿命;裂纹扩展过程中,齿根裂纹深度和分度圆裂纹深度之比非定值,而且深度之比与载荷无关。     

0Cr18Ni9裂纹试样的室温蠕变现象及对裂纹扩展的延滞效应

研究0Cr18Ni9不锈钢裂纹尖端的室温蠕变(room temperature creep, RTC)现象以及其对恒ΔK条件下疲劳裂纹扩展行为的影响作用.结果表明,在一定的载荷条件下,裂纹尖端出现明显的室温蠕变.文中同时讨论初始应力强度因子幅ΔK、加载速率r和恒载应力强度因子KRTC与室温蠕变量之间的关系.与单峰过载条件下相比,0Cr18Ni9钢裂纹尖端的室温蠕变会加大随后的裂纹扩展延滞效应.