耦合宏微观效应的约束应力区疲劳裂纹模型的求解与应用

用约束应力区描述材料损伤状态,建立耦合宏微观效应的跨尺度疲劳裂纹模型,可描述材料疲劳破坏从微观缺陷到宏观断裂的整个过程。约束应力的分布取决于材料的损伤状态。假定约束应力为线性分布,在远场均匀拉应力作用下,应用Muskhelishivili方法,对跨尺度裂纹模型进行了解析求解,得到了裂纹张开位移与跨尺度应变能密度因子的解析解。以跨尺度应变能密度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,对疲劳破坏全过程进行了数值模拟计算。以LC4铝合金板为例,利用模型精确再现出不同疲劳荷载作用下的实验S-N曲线。由于模型考虑了微观因素的影响,疲劳实验数据的发散特性也精确再现出来。另外,通过数值计算,分析了微观效应对疲劳裂纹扩展行为的影响。     

基于红外热成像的镁合金疲劳裂纹扩展的研究

采用红外热成像技术监测疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况,对AZ31B镁合金板材室温下的疲劳裂纹扩展特征进行研究。分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,探索镁合金材料疲劳裂纹扩展的规律。试验结果表明,疲劳裂纹扩展过程中,镁合金表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。三组试件最高温升值分别为A试件10.89℃、B试件15.19℃、C试件12.37℃。裂纹尖端及其附近组织观察发现,裂纹尖端发生转向,裂纹总体为穿晶断裂,并伴随少量沿晶断裂,在裂纹附近区域有少量塑性变形。疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关,该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。     

风力机叶片原生缺陷转捩的能量释放机理研究

针对风力机叶片原生缺陷演化为裂纹进而扩展导致断裂的问题,分析细观缺陷在外载荷作用下转捩为宏观裂纹的能量释放定量关系明晰裂纹萌生机理。首先根据风力机叶片的载荷特点构造一个新的应力函数,基于正交异性复合材料基本公式求解原生缺陷层间开裂的应力强度因子、应力应变和位移分量,由此获得细观缺陷变形过程释放的塑性应变能;使用红外热像仪采集原生缺陷转捩过程的温度场并计算热能耗散量,基于不可逆热力学定律获得内储能随着疲劳周期的变化规律;最后,在万能试验机上对含有气泡和纤维断裂的叶片试件进行疲劳试验。结果表明,应用提出的应力函数的计算结果与试验结果误差较小,可作为细观缺陷变形时塑性应变能的计算依据。原生缺陷转捩为微小裂纹时,内储能的变化规律可作为判断缺陷类型和程度的依据。这项研究探索复合多层材料跨尺度的疲劳能量理论,有助于实现风电机组关键部件的全寿命周期监测。     

裂纹尖端韧化区止裂

当外加应力强度因子变化幅度低于材料的疲劳裂纹扩展门槛值时,裂纹不会产生和发展,疲劳损伤几乎不能产生.裂纹尖端韧化区止裂工艺提高了裂纹尖端局部区域材料的疲劳裂纹扩展门槛值,减慢了疲劳裂纹扩展速率,使裂纹扩展寿命大为延长.     

短裂纹密度场细观统计分析

通过LY12铝合金棒材位移控制下的疲劳试验获得了含裂纹的计算机层析成像(CT)检测样本。采用微焦点CT对疲劳试样进行了扫描与重建,获得了密度场图像库,并提取了试样内部的三维裂纹形态。结果表明裂纹以体的形式存在。对裂纹区域内外平均灰度、沿裂纹扩展轨迹密度变化、沿裂纹体两侧走向密度分布等进行了密度场的细观统计分析。细观统计结果表明,裂纹区域和邻近区域的密度要低于正常区域的密度,材料内部的疲劳损伤呈现不均匀性。     

面向再制造的510L钢疲劳裂纹扩展磁记忆检测

为探索磁记忆信号在铁磁性材料裂纹扩展过程中的变化规律,以510L钢为研究对象,采集裂纹扩展过程不同区域的磁记忆信号,计算裂纹尖端的应力强度因子,分析疲劳断口形貌,探讨金属磁记忆方法对铁磁材料疲劳损伤与裂纹扩展检测的可行性,并建立裂纹尖端磁记忆信号梯度Kmax值和应力强度因子KI之间的关系。结果表明:M(T)试样宏观切口处的磁记忆信号特征量比裂纹尖端应力集中处的磁记忆信号特征量明显;梯度Kmax值和应力强度因子KI在疲劳循环累积下均呈指数形式增加,从断裂力学角度说明Kmax反映疲劳累积损伤的可行性;磁记忆信号特征量ΔHp(y)及Kmax可以反映经过不同服役期的510L钢损伤情况,为再制造修复和加工提供依据。     

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。     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的超高周疲劳特性

对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头开展常温拉压条件下的超高周疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究焊接接头的疲劳失效机理。结果表明,疲劳寿命曲线呈现阶梯状:在高应力短寿命区,疲劳断裂发生在试样母材区较多,多为表面或次表面夹杂物裂纹萌生;在低应力长寿命区,疲劳断裂发生在试样焊缝区较多,多为内部气孔裂纹萌生。断口分析发现:缺陷(裂纹源)尺寸较小或者越靠近试样内部,疲劳寿命越长,且较小缺陷同内部较大缺陷具有相似的裂纹萌生潜力。通过有限元模拟疲劳试样内部微缺陷处的应力分布得出,焊缝区气孔和夹杂物周围的应力集中程度大于母材区夹杂物。结合断口分析发现,母材区弥散分布的粒状颗粒夹杂物数量较多,并且聚集起来会形成更大的缺陷,相比焊缝区夹杂物更容易萌生疲劳裂纹。     

疲劳裂纹扩展的门槛值的确定方法及其影响因素

疲劳裂纹扩展的大量研究和试验表明,对于存在一定尺寸裂纹或缺陷的材料和构件,并非在任意交变应力幅值下裂纹都是扩展的,只有当裂纹尖端的应力强度因子达到或超过某一值时,裂纹才会在交变应力的作用下     

大型柴油机曲轴断裂失效分析

用化学分析、力学性能试验、扫描电镜等方法分析了某大型柴油机曲轴早期断裂的原因.结果表明:宏观断口上有明显的疲劳源区和宏观疲劳条纹,曲轴属于疲劳断裂.疲劳裂纹萌生在曲轴油孔内表面的缺陷处(缺陷尺寸为767 μm×500 μm),该缺陷是机械加工油孔时刃具刀尖崩裂造成的,在工作交变扭转应力作用下缺陷萌生疲劳裂纹并扩展,导致曲轴发生早期疲劳断裂.     

岸边集装箱装卸桥金属结构裂纹的诊断与控制

1断裂力学的裂纹扩展机理 断裂力学是研究具有初始缺陷的材料和结构强度的有力工具,它结合现代的无损探伤技术,能够克服传统研究方法中所表现出的弊端,如定量计入初始缺陷对疲劳寿命的影响,以裂纹的尺寸大小和裂纹的扩展速率作为结构损伤大小的判据,来判定剩余寿命和巡检周期等。裂纹尖端应力强度因子是这一方法的基础,在裂纹临界扩展阶段,当应力强度因子幅值△K小于门槛值△Kab时,裂纹扩展速率da／dN的对数和应力强度因子幅值△K的对数之间关系可用Paris公式描述。     

高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

汽车张紧轮紧固螺栓断裂分析

对断裂的汽车张紧轮紧固螺栓的显微组织、化学成分、硬度以及断口的宏、微观特征进行了综合分析,找出其断裂的原因。结果表明:螺栓在搓丝加工过程中挤压量过大,使螺纹尖端产生较多微裂纹,同时螺纹根部也存在一些加工缺陷,并在之后的热处理过程中进一步扩展;在使用过程中,微裂纹和加工缺陷处产生应力集中,使螺栓材料的疲劳强度降低,裂纹源的过早形成最终导致了螺栓发生疲劳断裂而失效。     

T型焊接接头表面裂纹应力强度因子影响因素研究

针对T型焊接结构中出现的疲劳断裂现象,采用扩展有限元法计算裂纹尖端应力强度因子,分析其受裂纹参数、载荷、结构参数影响的变化规律。计算结果表明:随着裂纹尺寸的增大,裂纹尖端应力强度因子呈发散状态增大;弯曲载荷变化引起裂纹尖端应力强度因子的变化程度大于拉伸载荷;裂纹尖端应力强度因子与结构参数呈线性关系。     

弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置,并预测裂纹扩展速率da/d N。结果发现,预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示,疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/d N、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。     

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。     

低周疲劳过程损伤变量的复合分析法和三阶段损伤演化模型

采用疲劳损伤力学的方法分析Ni Cr Mo V钢核电汽轮机低压焊接转子1︰1模拟件接头低周疲劳过程,针对损伤变量表征方法中的弹性模量法和应力幅值法应用的局限性,并考虑循环前期循环软化造成的材料的损伤,提出适用于循环软化材料的低周疲劳全过程损伤变量表征的复合分析法,提高了疲劳过程各阶段材料损伤测量的准确性;提出低周疲劳损伤过程的三阶段损伤模型,将焊接接头的疲劳损伤过程分为应力松弛、微空洞和微裂纹的萌生和扩展以及宏观裂纹的萌生和扩展三个阶段,并用于分析焊接接头的低周疲劳损伤过程。试验结果表明,在Ni Cr Mo V钢汽轮机低压焊接转子接头的低周疲劳损伤过程分析中,采用复合分析法表征损伤变量较弹性模量法和应力幅值法更为合理,且三阶段疲劳损伤模型能很好地反映疲劳损伤过程。     

拉压载荷对疲劳裂纹扩展影响的有限元分析

利用弹塑性有限元方法研究了压应力对裂纹尖端塑性区的影响和长短裂纹尖端的塑性区和裂纹张开剖面.通过分析表明,压应力对裂纹尖端塑性区和疲劳裂纹的扩展有显著的影响.     

高强度螺栓表面微裂纹对延迟断裂及疲劳断裂的影响

在建立螺纹根部微裂纹尖端的应力强度因子,K_I 表达式的基础上,定量地分析和评价了表面微裂纹对高强螺栓应力腐蚀断裂和疲劳断裂的影响,这对高强螺栓的选材、制造加工和质量控制具有一定的实际意义。