高压气瓶4130X钢低周疲劳特性及疲劳设计曲线探讨

针对大容积钢制无缝气瓶材料4130X钢,开展了应变控制下4130X钢的循环特性、应变幅-寿命关系、概率-应变幅-寿命关系和疲劳设计曲线研究,参考ASMEⅧ-2—2021和JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》给出了4130X钢的疲劳设计曲线。获得的4130X钢疲劳设计曲线,与规范中793 MPa≤σ_uts≤892 MPa的疲劳设计曲线有一定的差异,略高于ASMEⅧ-Ⅱ(σ_uts≤552 MPa)和JB 4732—1995(σ_uts≤540 MPa)的疲劳设计曲线。4130X钢材料疲劳寿命设计可采用本文提出的疲劳设计曲线或保守地采用ASMEⅧ-Ⅱ(σ_uts≤552 MPa)和JB 4732—1995(σ_uts≤540 MPa)中对应材料的疲劳设计曲线。     

核级管道不锈钢316LN的低周疲劳特性研究

在室温下,对核级管道不锈钢材料316LN试样进行了不同应变幅的低周疲劳试验研究,得到了316LN试样的循环应力-应变响应特征及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中、不同应变幅水平下,循环应力-应变迟滞回线的试验结果,分析了应力峰值、谷值和循环弹性模量随疲劳循环数的变化规律,研究了316LN试样的疲劳特性和疲劳寿命曲线特征,并与ASME疲劳设计曲线进行了对比。试验结果表明,试样初始循环表现出循环硬化,随后表现出循环软化直至失效;初始前10%疲劳寿命期内循环弹性模量缓慢下降,然后几乎保持不变,在达到80%～90%寿命后开始下降; Basquin和Manson-Coffin公式可以很好地描述0. 2%～0. 7%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线。     

不同温度下16Cr3NiWMoVNbE结构钢的低周疲劳行为

对16Cr3NiWMoVNbE结构钢在25,100,200,300,350℃下进行了应变比为-1的总应变控制的低周疲劳(LCF)试验,研究了不同温度下该结构钢的循环应力响应、疲劳寿命和循环应力-应变行为。结果表明:试验钢在温度不高于200℃时,表现出循环软化的现象,而在300℃时,表现出明显的循环硬化现象;随着温度的升高,疲劳寿命有下降的趋势,利用三参数幂函数公式能较好地表征不同温度下的应变-寿命关系。     

汽轮机用3.5NiCrMoV钢和20Cr13钢的非对称应变疲劳行为与寿命预测

对汽轮机用3.5NiCrMoV贝氏体钢和20Cr13马氏体钢进行对称和非对称应变控制疲劳试验,对比研究其疲劳行为;采用基于对称应变疲劳参数的Morrow模型、SWT模型和Ellyin模型对非对称疲劳寿命进行预测,讨论模型的适用性.结果表明:3.5 NiCrMoV钢的非对称疲劳寿命不高于对称疲劳寿命,20Cr13钢的非对称疲劳寿命高于对称疲劳寿命;3.5NiCrMoV钢的对称和非对称循环应力相差较大,而20Cr13钢的对称和非对称循环应力相近;平均应力下降是非对称应变控制疲劳的共同现象,塑性应变变化是影响非对称疲劳寿命的主要因素;Morrow模型预测精度取决于应变比对疲劳寿命的影响,S WT模型不适用于非对称与对称疲劳循环应力-应变曲线相差较大的3.5NiCrMoV钢疲劳寿命预测,Ellyin模型对非对称与对称循环硬化趋势相近的20Cr13钢的非对称疲劳寿命具有较好的预测效果.     

P92钢的高温低周疲劳行为及寿命预测

采用RPL50型动蠕变试验机对P92钢进行630℃和不同应变幅下的低周疲劳试验,研究了P92钢的高温低周疲劳行为;基于塑性应变能密度与硬度、应力幅和低周疲劳寿命的关系,采用基于能量的硬度法对其低周疲劳寿命进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:P92钢是一种循环软化材料,其初始归一化应力幅随应变幅的增加而增加,且不同应变幅下的归一化应力幅均随循环周次的增加而降低;随着应变幅的增加,弹性应变幅保持稳定,塑性应变幅近似线性增加,软化率也相应增加,并最终稳定在0.3左右;硬度与应变幅满足良好的线性关系;基于能量的硬度法可以较准确地预测P92钢在630℃时的高温低周疲劳寿命,计算得到的预测寿命均位于试验寿命的±1.5倍标准偏差内。     

汽轮机联轴器螺栓剪切疲劳试验研究

在常温空气介质下，利用薄壁圆筒试样进行剪切疲劳试验，得到具有95％置信度、5％误差限的联轴器螺栓材料40CrNiMoA钢的剪切循环应力－应变特性参数和应变疲劳寿命特性参数，给出该材料在常温下的单调和循环剪切应力应变特性曲线以及不同可靠度下的剪切疲劳寿命曲线。试验表明，该材料在循环扭转载荷下表现出循环软化特性，并且比用von Mises准则所预测的循环软化程度要大些。对不同应变下的循环稳定应力变化规律进行比较可得，无量纲化的不同应变水平下的峰谷值应力仅与无量纲化的循环周次有关。     

不同应变比下GH3030合金的高温低周疲劳行为

对镍基高温合金GH3030在600℃进行了总应变控制的低周疲劳(LCF)试验,对不同应变比(-1和0.1)下的应力-应变滞后回线、循环应力响应、应变寿命关系及低周疲劳断口形貌进行了研究。结果表明:在高应变水平时,试验合金表现为明显的循环硬化现象,在低应变水平下,则表现先软化后硬化的现象;在不同的应变比下,应力-应变滞后回线的形状比较接近,同一应变水平下疲劳寿命差别不明显,疲劳断口裂纹扩展区均可见轮胎花样特征。     

扭转预应变对45钢低周疲劳性能的影响

介绍４５钢在不同扭转预应力变下的低周疲劳性能,包括循环应力－应变特性,循环硬化软化特性及低周疲劳寿命的研究工作。结果表明,扭转预应变降低周疲劳寿命,循环应力随扭转预应变的增大而增大。     

核电用接管安全端308L焊缝金属高温低周疲劳性能研究

在300℃高温环境下研究了核电用接管安全端308L焊缝金属的低周疲劳性能,获得了308L焊缝金属材料的循环应力-应变曲线及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中不同应变幅水平下循环应力-应变滞回环的试验结果,分析了应力峰值随疲劳循环数的变化规律,绘制了308L焊缝金属材料疲劳寿命曲线,并与ASME疲劳设计曲线进行对比,最后分析了308L焊缝金属的疲劳断口。试验结果表明,材料在高温条件下表现出循环软化直至失效; Basquin和Manson-Coffin关系可以很好地描述0. 3%～1. 0%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线; 308L焊缝金属低周疲劳裂纹呈凸形扩展,并伴随有疲劳辉纹和二次裂纹出现。     

不同控制模式下316L不锈钢的高温疲劳变形行为及寿命预测

在550℃下对核电用316L不锈钢进行应变控制(应变幅在0.3%～1.2%)、应力控制(应力幅在230～300 MPa)低周疲劳试验和应变控制蠕变疲劳试验(3种波形,拉伸保载60,180,600 s,压缩保载60,180 s,拉压对称保载180 s),通过疲劳寿命、循环响应特征和应力-应变滞回曲线分析了不同控制模式下试验钢的疲劳变形行为;构建疲劳寿命预测模型,评估了Manson-Coffin-Basquin模型、SWT模型和能量法模型对不同控制模式下试验钢疲劳寿命的预测能力。结果表明：在不同控制模式的疲劳循环载荷下,316L不锈钢的循环应力响应均包括循环硬化、循环软化和失效断裂3个阶段;在低周疲劳试验中,疲劳寿命随应变幅或应力幅的增大而缩短;在蠕变疲劳试验中,疲劳寿命随拉伸保载时间的延长而缩短,随压缩保载时间的延长而增大,这与动态应变时效和蠕变对疲劳损伤的综合作用有关;在相同保载时间下,压缩保载下的疲劳寿命比拉伸保载下的短,这与不同加载方向引起的氧化层致裂机制有关。能量法模型对316L不锈钢在不同控制模式下的疲劳寿命预测精度最高,预测精度在1.5倍误差带以内,Manson-Coffin...     

电镀铜薄膜疲劳性能与寿命预测

利用MMT-11N微机械疲劳试验系统对11.5 μm厚无基体支持的电镀铜薄膜试件的拉伸疲劳特性进行了试验研究。试件采用准LIGA工艺制作。试验在室温条件下进行,采用载荷控制、脉动循环加载,载荷频率为20 Hz,得到了铜薄膜光滑试件和缺口试件的S-N曲线,根据传统宏观疲劳理论确定了铜薄膜循环应力—应变曲线和应变—寿命曲线。利用修正局部应力—应变法对缺口试件的疲劳寿命进行了预测,预测寿命与试验寿命误差在3.2倍因子之内,预测结果较好地符合试验结果。试验表明,取半寿命周期的迟滞回线作为稳定迟滞回线在微机械疲劳中仍是可信的,局部应力—应变法亦可应用于微机电系统疲劳寿命预测,宏观疲劳理论在一定程度上也适合于描述微机械疲劳。     

基于有限元的多股螺旋弹簧疲劳寿命预测

针对多股螺旋弹簧(多股簧)的疲劳失效问题,以阿联酋某企业使用的特种多股簧为研究对象,通过有限元仿真分析多股簧的应力应变历程并利用子模型技术进行了应力应变的精确计算,通过静态响应试验验证了有限元模型的正确性;进行了钢丝材料试验,结合Manson模型推导出多股簧材料的疲劳性能参数;结合多股簧的应变和疲劳寿命预测模型预测了多...     

基于GB/T 34019标准与ASMEⅧ-3标准的钢制瓶式容器疲劳寿命分析

为研究GB/T 34019标准与ASMEⅧ-3标准在计算压力容器临界裂纹扩展寿命时的差异,采用ANSYS软件建立不同设计压力和直径的4130X钢制瓶式容器,并利用自编的MATLAB疲劳计算程序计算临界裂纹循环次数,考察了应力强度因子和疲劳失效判据对容器设计疲劳寿命评价的影响.分析结果表明,在容器设计压力40～90 MP...     

基于能量密度法预测微动疲劳寿命

通过接触界面的应力应变场和临界平面法计算了能量密度损伤参数,结合疲劳试验得到了能量密度损伤参数-寿命关系曲线中的材料常数,建立了LZ50钢微动疲劳寿命的预测公式。根据裂纹萌生寿命预测效果,将Chen损伤值作为裂纹萌生控制参数。分析了摩擦因数、微动桥半径、循环载荷和微动桥压力对LZ50车轴钢的Chen损伤值的影响,以及CRH2型动车组空心车轴裂纹萌生的位置及寿命。     

Evaluation of cyclic plasticity models of multi-surface and non-linear hardening by an energy-based fatigue criterion

This study examines the performance of four constitutive models according to capacity in predicting metal fatigue life under proportional and non-proportional loading conditions. These cyclic plasticity models are the multi-surface models of Mroz and Garud, and the non-linear kinematic hardening models of Armstrong-Frederick and Chaboche. The range of abilities of these models is studied in detail. Furthermore, the plastic strain energy under multiaxial fatigue condition is calculated in the cyclic plasticity models by the stress-strain hysteresis loops. Using the results of these models, the fatigue lives that have set in the energy-based fatigue model are predicted and evaluated with the reported experimental data of 1% Cr-Mo-V steel in the literature. Consequently, the optimum model in the loading condition for this metal is chosen based on life factor.     

钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究*

钢丝微动疲劳过程中,钢丝裂纹萌生特性直接影响其裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳寿命,因此开展钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究具有重要意义。基于有限元法、摩擦学理论和断裂力学理论,运用Smith-Watson-Topper（SWT）多轴疲劳寿命准则建立考虑磨损的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,基于多种不同的钢丝疲劳参数估算方法对钢丝的微动疲劳裂纹萌生寿命进行了预测,并探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度及钢丝直径等微动疲劳参数对钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明：基于中值法的预测结果最接近实际值;在微动疲劳过程中,钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命主要与接触载荷和疲劳载荷相关。通过引入微动损伤参数建立简化的适用于钢丝绳的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,通过与考虑磨损的预测模型计算结果进行对比验证了该模型的准确性。     

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。     

低周循环应力-应变关系和损伤

引入硬化状态变量表征微结构变化对材料循环变形行为的影响，提出应变控制下材料的循环应力一应变关系，由此导出的疲劳损伤演变方程与材料的损伤和硬化状态有关，考虑加载历史的影响。其结果可以为分析多级疲劳加载时，损伤演变过程和剩余寿命估算提供新的思路。