拉压加载下纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应与预测模型

基于增量塑性损伤理论与纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展唯象方法, 推导出在拉-压循环加载下, 纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展速率预测模型。并通过玻璃纤维增强铝合金层板在应力比R=-1,-2的疲劳裂纹扩展实验对预测模型进行验证。结果表明, 纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应分为两种情况: 在有效循环应力比R_C>0时, 表现为压载荷对铝合金层所承受残余拉应力的抵消作用; 当R_C<0时, 表现为压载荷抵消残余拉应力后, 对纤维增强铝合金层板金属层的塑性损伤, 对疲劳裂纹扩展存在促进作用。纤维铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应不可忽略, 本文中得出的在拉-压循环加载下疲劳裂纹扩展速率预测模型与实验结果符合较好。     

加载载荷对ADB610钢疲劳裂纹扩展性能的影响研究

针对ADB610新型低碳贝氏体钢,采取紧凑拉伸试样、恒幅加载方式,在应力比为0.1时进行3种不同加载载荷下多试样的疲劳裂纹扩展试验,并测出裂纹扩展长度a和循环寿命N的a-N试验数据。然后采取七点递增多项式法对a-N试验数据拟合计算疲劳裂纹扩展速率。结果表明,加载载荷较小时,ADB610钢循环寿命较长;在疲劳裂纹扩展的初始阶段,加载载荷小的疲劳裂纹扩展速率相对较慢,但随着疲劳裂纹逐渐扩展,加载载荷小的疲劳裂纹扩展速率反而更大一些。     

桥梁高性能钢HPS485W疲劳裂纹扩展速率试验研究

以国产桥梁用高性能钢HPS485W为研究对象,对7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W紧凑拉伸试样分别在应力比R=0.1、R=0.5和R=0.8的疲劳荷载下进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验,采用七点递增多项式的方法进行局部拟合求得试样的疲劳裂纹扩展速率。与传统桥梁用钢14MnNb相比,该文试验测得高性能钢HPS485W具有更优越的忍受疲劳裂纹扩展能力。试验结果表明:试样厚度是影响疲劳裂纹扩展速率的关键因素;对同一厚度的试样,疲劳裂纹扩展速率随着应力比R的增大而增大。此外,对19.5mm试样在荷载比R=0.1的情况下,进行工程门槛值的试验测定和理论门槛值的数值求解,分析求得19.5mm的HPS485W的理论门槛值为7.22MPa·m1/2。该文试验得到的HPS485W疲劳裂纹扩展曲线,可用于高性能钢桥的抗疲劳、防断裂设计与寿命预测。     

拉-压及拉-扭载荷下6063合金的疲劳行为

对6063锻造铝合金进行了不同应力幅值下拉-压及拉-扭复合疲劳试验,并用透射电子显微镜观察了疲劳失效试样的位错结构。结果表明:在循环加载过程中,循环硬化占据主要地位,循环硬化的速率和程度对应力幅值和加载路径有依赖性;相同应力幅值下,试样在拉-扭复合加载下失效比拉-压失效形成更为复杂的位错结构,且位错密度更高;位错之间及位错与析出相的交互作用是材料发生循环硬化的主要原因,循环硬化程度越高,疲劳寿命越短。     

循环载荷压半周对疲劳裂纹扩展速率的影响

本文使用ＬＹ１１ＣＺ铝合金及１８ＭｎＨＰ钢两种板材的中心裂纹拉伸试件，在不同应力水平及应力比下，就应力比，特别是循环载荷压缩部分对疲劳裂纹扩展速率的影响进行了试验研究和分析，指出，现有裂纹闭合理论不足以解释载荷压半周的作用，并就两种材料给出了估算裂纹扩展速率的经验公式。在此基础上还指出，用线弹性断裂力学应力强度因子Ｋ作为裂纹扩展的控制参量，在理论上，有待进一步研究。     

基于材料低周疲劳的裂纹扩展预测模型

该文基于疲劳裂纹尖端循环应力-应变场, 定义了基于应变幅的平均单位循环损伤参量D, 并引入Miner累积损伤率, 从而从理论上建立起材料低周疲劳性能和疲劳裂纹扩展行为之间的联系。以裂尖扩展方向上的单调塑性区尺寸作为疲劳过程区大小, 并提出了基于弹塑性应变疲劳累积损伤的疲劳裂纹扩展预测模型。模型改进了前人提出的疲劳裂纹扩展预测模型, 考虑了单调塑性区内所有材料的弹塑性应变疲劳损伤贡献;模型中参数均有物理意义, 不需要人为调试。基于完成的Cr2Ni2MoV 材料的低周疲劳结果所建立的该文新模型对该材料裂纹扩展速率的预测结果与实验结果有良好一致性。并且, 借助手册数据, 在TC4钛合金材料上进一步得到了验证。     

应力比对航空高强LD2CZ铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响

利用扫描电镜联合液压伺服试验机,并借助于Walker公式研究了应力比对预腐蚀不同时间航空高强LD2CZ铝合金疲劳裂纹扩展的影响,在应力比分别为0．05,0．5,0．7的条件下对预腐蚀0,15,30d的LD2CZ铝合金单边缺口板状试样进行了疲劳加载试验,得到了其疲劳裂纹扩展速率曲线,并拟合出了Walker公式中的材料常数。结果表明：裂纹扩展速率会随着应力比的增加以及腐蚀损伤的加深而增大,拟舍得到的Walker公式可用来定量化地表征应力比和腐蚀损伤对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明:对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

不同应力幅比加载下2A12铝合金的多轴疲劳性能

采用SDN100/1000电液伺服拉扭复合疲劳试验机对2A12铝合金进行不同应力幅比下的多轴疲劳实验,观察试样断口形貌并结合加载过程中的疲劳循环曲线进行失效机理分析。结果表明:单级加载条件下,随应力幅比的增加合金的疲劳寿命提高,纯扭转条件下断面存在平整的光滑区域,随应力幅比的增加断面划痕减少,并能观察到疲劳条带以及鱼骨状、鳞片状和蜂窝状特殊形貌;不同应力幅比累积路径下,多轴疲劳寿命随一级加载周次变化的规律不同;高-低应力幅比累积路径下,拉压方向一级高应力幅比加载阶段出现明显的循环硬化现象,材料产生"锻炼效应"。     

循环压缩载荷下缺口残余拉应力场的X射线分析

用细束 x 射线研究了循环压缩载荷下缺口残余拉应力的分布及变化。试验表明,循环压缩加载后形成的残余拉应力大于一次压缩加载后的数值,压缩应力幅对残余拉应力分布的影响大于压缩平均应力的影响,其原因除了加载-降载过程中形成的残余应力直接与应力幅有关外,尚与应力幅加剧材料循环软化程度有关。形成疲劳裂纹后,在完全卸载的裂纹面上,残余拉应力基本松弛,但垂直于裂纹面稍远处的残余拉应力仍保持有相当大的数值,这部分残余应力是否对裂纹扩展起作用,在计算残余应力的应力强度因子时如何予以考虑值得注意。     

THE INFLUENCE OF COMPRESSIVE LOADS ON FATIGUE CRACK PROPAGATION IN METALS

An experimental study on Al alloy 7475-T7351 was conducted to determine the influence of compressive loads on fatigue crack propagation. The investigation was based on the determination of the crack propagation stress intensity factor, K_PR , under three different basic loading sequences involving compressive loads. The data of the entire experimental program collapse onto a single 'master curve' which describes K_PR as a function of K_max and the unloading ratio UR. Load interaction effects are mainly due to the changes of the residual compressive stress state in front of the crack tip, while crack closure plays a minor part. The results give an improved understanding of fatigue crack propagation.     

不同热处理的铝合金在应力梯度影响下表面裂纹扩展特性的评价

本文在弹塑性范围中以循环轴向拉压和旋转弯曲负载条件和两种不同热处理的铝合金材料为研究对象,对１型微小裂纹扩展速率统一评价方法进行了研究,虽然在不同材料,不同负载条件下都可以用名义应力　和裂纹长度　评价Ｉ型裂纹扩展特性（　）但其表达式中的系数Ｃ、ｎ随这些试验条件变化而变化。因此,利用材料的循环应力－应变关系（　）,可以用塑性应交代替名义应力统一地评价Ｉ型裂纹扩展特性（　）,而不受负载条件的影响。     

Comparison of the simulation and experimental fatigue crack behaviors in the nanoseconds laser shocked aluminum alloy

This investigation was performed to compare the simulation and experimental results of the fatigue crack growth rates and behaviors of the 7050-T7451 aluminum alloy by nanoseconds laser shock processing (LSP). Forman–Newman–deKoning (FNK) model embedded in the Franc2D/L software was utilized to predict fatigue crack growth rate, which was conducted to weigh the stress intensity factor (SIF) changing on the surface cracks. LSP induced high compressive residual stresses that served to enhance fatigue properties by improving the resistance against fatigue crack initiation and propagation. The circulating times of crack growth obtained from the simulation and experimental values indicated a slower fatigue crack growth rates after LSP. The relationships between the elastic–plastic materials crack growth rates and the SIF changing after LSP are resolved.     

Q345R钢多个过载作用下疲劳裂纹扩展行为研究

单一过载使得疲劳裂纹扩展速率减缓,可以提高疲劳寿命,但对于多个过载作用下疲劳裂纹扩展仍未明确,有待于进一步研究。针对Q345R标准紧凑拉伸试样,在常幅循环加载条件下引入多个拉伸过载,研究多个过载作用对疲劳裂纹扩展行为的影响。研究结果表明:在保持应力比、过载位置和过载比不变的情况下,随着过载间距增加,迟滞效应先增加后减小;过载间距循环数是单一过载迟滞循环数的一半时,da/dN_min达到最小,迟滞效应最明显。采用含有过载交互作用参数Ø_I的修正Wheeler模型对不同的过载间距疲劳裂纹扩展行为试验结果进行预测,预测的结果与试验结果能够很好的吻合。     

Fatigue behaviour of carbon fibre-reinforced aluminium laminates

A new hybrid composite (CARALL), consisting of thin layers of carbon fibre/ epoxy prepreg sandwiched between aluminium sheets, has been developed. It is shown that this class of materials offers higher modulus, higher tensile strength and lower density than 2024-T3 alloy in the longitudinal direction. Under tension-tension fatigue loading, the hybrid laminates showed superior fatigue crack propagation resistance in the longitudinal direction, which may be attributed to the bridging effect imposed by the intact fibres in the crack wake. It has also been shown that the effectiveness of fatigue crack growth reduction increases with the thickness of the carbon fibre/epoxy layer. The resistance to fatigue crack propagation can be further improved by introducing compressive residual stresses in the aluminium layer by postcure stretching the laminate in the plastic region of the aluminium alloy.     

Role of plastic work in fatigue crack propagation in metals

The plastic work required for a unit area of fatigue crack propagation U was measured by cementing tiny foil strain gages ahead of propagating fatigue cracks and recording the stress-strain curves as the crack approached. Measurements of U and plastic zone size in aluminum alloys 2024-T4, 2219-T861, 2219 overaged, and A1-6.3 wt% Cu-T4, and a binary Ni-base alloy with 7.2 wt% A1 are herein reported. The results are discussed along with previously reported measurements of U in three steels and 7050 aluminum alloy. When U is compared to the fatigue crack propagation rate at constant ΔK along with strength and modulus, the conclusion is drawn that U is one of the parameters which determines the rate of fatigue crack propagation. The relation of U to microstructure is also discussed. “Homogeneous” plastic deformation in the plastic zone ahead of the crack seems desirable.     

3.5%NaCl腐蚀环境下2种航空铝合金材料疲劳性能试验研究

腐蚀环境下的疲劳性能是航空金属结构疲劳寿命设计的重要前提,为此,试验测定了2种航空铝合金材料（2E12-T3、7050-T7451）的光滑试样和缺口试样在干燥大气和3.5%NaCl腐蚀环境下的疲劳性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行扫描电镜（SEM）分析,研究了3.5%NaCl腐蚀环境与载荷联合作用对腐蚀疲劳性能的影响机理,研究结果表明:3.5%NaCl腐蚀环境对2种铝合金材料的疲劳性能均产生不利影响,且腐蚀与疲劳载荷的交互作用随着应力水平的降低而增强,疲劳性能下降更明显;与光滑试样相比,腐蚀环境对铝合金2E12-T3缺口试样疲劳性能的影响更大,但对铝合金7050-T7451缺口试样疲劳性能的影响却变小;在腐蚀环境下,裂纹尖端易发生电化学反应产生腐蚀产物和[H]离子,腐蚀产物的存在会阻碍裂纹闭合,同时,[H]离子导致裂纹尖端的氢脆效应,加快裂纹扩展,使疲劳性能降低。