金属磁记忆技术的机理与试验研究

在外应力作用下铁磁晶体应力能会增加,其相应的总自由能也会增加,而改变铁磁晶体的磁化状态会消耗能量,并趋向于自由能最低.通过对45号调质钢和非调质钢试件分组进行三点弯曲疲劳裂纹扩展试验和金相显微镜在位显微观测,并利用TSC-1M-4检测磁场信号,发现调质钢试件的磁记忆信号明显低于非调质钢试件的磁记忆信号,在对试件调质消除内应力后,不同的应力状态对试件的磁场特征信号具有显著的影响.     

TC17高温高周旋转弯曲疲劳实验研究

本文利用高温旋转弯曲疲劳试验系统,完成了用于航空发动机的高强钛合金TC17在常温、200℃和350℃条件下的疲劳性能的实验,主要研究了温度对TC17疲劳强度和裂纹扩展率的影响. 通过测量试件在试验过程中的挠度变化,对比分析了不同温度下的疲劳裂纹扩展速率.并通过断口分析研究了裂纹萌生与扩展行为.本研究结果发现,在TC17高周疲劳破坏过程中,裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命90%以上,高温不仅促进了裂纹的萌生而且促进了裂纹的扩展.     

环境磁场对磁记忆检测信号的影响

通过对一铁磁性试件进行磁记忆检测实验,选择手机信号作为干扰源,研究不同环境磁场下试件磁记忆检测信号的变化情况.同时,对试验过程中的环境磁场对磁场强度变化的影响进行了机理分析.研究结果表明:对不同程度的环境磁场干扰,检测得到的试件磁记忆信号差别显著;周围有放置手机但不通话时,环境磁场的干扰程度不大;随着周围环境的通话手机数量逐渐增多,环境磁场的干扰程度不断加大直至足以影响检测精度.     

板、轴类构件中表面裂纹弯曲疲劳扩展规律

本文从断裂力学基本理论出发,引入“相当能量率”概念,给出一种表面裂纹疲劳扩展的速率分析模型及一系列计算公式,在探讨板、轴件中表面裂纹弯曲疲劳扩展规律的基础上,得到一种“用贯穿裂纹试件的实验结果预测表面裂纹构件疲劳寿命”的特性线法,提出三种方法预测“含横向表面裂纹园轴件”的疲劳寿命,并为园轴中横向表面裂纹的确定提供了一种途径。文中还给出了P105钻杆钢表面裂纹试件在弯曲疲劳时扩展特性的初步研究。     

长输管道盗油孔弱磁检测

为了确保油气长输管道的安全运行,针对管道上盗油孔的检测问题,研究了盗油孔处剩磁检测信号的变化特征.采用磁畴模型对盗油孔漏磁信号的分布特征进行了研究,利用有限元分析方法对铁磁性试件进行了静力学分析和静磁学分析,模拟了盗油孔处剩磁信号的变化规律.研究结果表明:在应力集中区域存在着漏磁信号,其分布规律随应力的变化而变化;在弱磁场作用下,可以较好地检测到由应力引起的自发漏磁信号.     

钢丝绳动载荷疲劳时的磁记忆信号研究

建立了模拟钢丝绳动载荷疲劳的实际工作状态的实验装置,确定了钢丝绳上三个检测段.通过磁记忆检测方法检测不同检测段的磁场分布,然后对发生疲劳断裂的检测段的磁场强度变化进行分析,从而得到钢丝绳动疲劳时磁记忆信号的特点.     

钢结构疲劳裂纹发展对磁记忆信号变化的影响机制研究

金属磁记忆检测技术是目前唯一可以检测出裂纹萌生阶段应力集中状态的无损检测技术,因此很有必要研究疲劳裂纹的发展对磁性号的影响机制.利用磁记忆信号对疲劳损伤进行诊断和预防,就具有非常重要的理论意义及工程实用价值.分析了裂纹损伤发展过程的应力状态、能量转化方式以及磁导率的变化情况,然后从微观角度分析这些因素对磁矩、磁畴以及磁荷产生的影响,从而揭示了疲劳裂纹发展对磁信号的影响机制.     

弹塑性疲劳微弯裂纹CTOD及J积分问题

从理论上比较精确地研究了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端塑性区域边界上的交变正应力和交变剪应力的分布状况.综合考虑了疲劳作用应力、塑性区域交变正应力和交变剪应力,利用二阶摄动方法,研究分析了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端塑性区域的范围.利用二阶摄动方法与卡氏定理计算了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端张开位移的最大值及变化幅值.以弯曲延伸裂纹尖端塑性区域的边界曲线为积分回路,求解了疲劳载荷作用下弹塑性弯曲延伸裂纹尖端J积分的最大值与变化幅值.为有效地预测及驾驭疲劳载荷作用下工程结构裂纹的弯曲扩展提供了理论依据.     

钢桥面板疲劳裂纹损伤非线性Lamb波检测的数值模拟与试验研究

为有效识别车辆荷载作用下钢桥面板的早期疲劳裂纹,进行钢板疲劳裂纹非线性Lamb波检测的数值模拟和试验研究.基于声接触非线性理论,提出了首波能量、拟声速和非线性参数3个损伤指标.试件同时考虑了孔洞缺陷、宏观裂纹和疲劳裂纹3种类型的缺陷,其中,疲劳扩展裂纹通过疲劳加载试验生成.在三维数值模型中,通过零长度非线性弹簧单元模拟...     

疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响

主要研究了具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下线弹性裂纹扩展问题.通过分析论证,定量地计算出具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下直线裂纹和弯曲裂纹的扩展速率.综合考虑了疲劳作用应力、裂纹尖端应力强度因子的变化幅值,总结出直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率关于疲劳载荷循环比和加载频率的变化函数.     

Metal magnetic memory testing for early damage assessment in ferromagnetic materials

In order to investigate the physical mechanism of metal magnetic memory testing, both the influences of earth magnetic field and applied stress on magnetic domain structure were discussed. Static tension and fatigue tests for low carbon steel plate specimens were carried out on hydraulic servo testing machine of MTS810 type and magnetic signals were measured during the processes by the type of EMS-2003 instrument. The results indicate that the initial magnetic signals of specimens are different before loading. The magnetic signals curves are transformed from initial random to regular pattern due to the effect of two types of loads. However, the shape and distribution of magnetic signal curves in the elastic region are different from that of plastic region in tension test. While in fatigue test those magnetic signals curves corresponding to different cycles are similar. The Hp (y) value of magnetic signals on the fracture zone increases dramatically at the breaking transient time and positive-negative magnetic poles occur on the two parts of fracture zone.     

盐水泥浆中碳钢的腐蚀疲劳断裂

钻井液中钻具因受到各种作用应力,加上井下高温高压的腐蚀环境,使其易发生腐蚀疲劳断裂。为探讨钻具的断裂过程以期能找到有效的防护措施,实验室内建立了模拟试验装置。针对盐水泥浆中４５钢的腐蚀疲劳断裂行为,通过自制的旋转弯曲腐蚀疲劳试验机,模拟钻具的运转受力情况,研究了不同泥浆介质、应力、载荷频率和温度对４５钢腐蚀疲劳断裂行为的影响,并结合动态腐蚀试验和断口分析,讨论了各影响因素的作用。结果表明,盐水泥浆的ｐＨ值、Ｃｌ－含量等对４５钢的疲劳寿命有直接影响,腐蚀疲劳寿命与与局部腐蚀的程度大小有密切关系;随着加载频率的增大,４５钢的腐蚀疲劳寿命有较大提高;在１５～８０℃温度范围内,４５℃左右时４５钢的腐蚀疲劳寿命最短。     

Metal magnetic memory testing for early damage assessment in ferromagnetic materials

In order to investigate the physical mechanism of metal magnetic memory testing, both the influences of earth magnetic field and applied stress on magnetic domain structure were discussed. Static tension and fatigue tests for low carbon steel plate specimens were carried out on hydraulic servo testing machine of MTS810 type and magnetic signals were measured during the processes by the type of EMS-2003 instrument. The results indicate that the initial magnetic signals of specimens are different before loading. The magnetic signals curves are transformed from initial random to regular pattern due to the effect of two types of loads. However, the shape and distribution of magnetic signal curves in the elastic region are different from that of plastic region in tension test. While in fatigue test those magnetic signals curves corresponding to different cycles are similar. The H _p(y) value of magnetic signals on the fracture zone increases dramatically at the breaking transient time and positive-negative magnetic poles occur on the two parts of fracture zone. Foundation item: Project(50235030) supported by the National Natural Science Foundation of China     

高应力水平下表面裂纹疲劳扩展规律的实验研究

多次错误操作或水锤现象等可能引起结构部件承受高应力水平下的疲劳载荷作用。在前人的研究工作中，含表面裂纹板疲劳试验的远场应力水平绝大多数不超过０．６σｙ，。本文通过应力水平为０．８５～０．９５σｙ，的１６ＭｎＲ钢合表面裂纹板的疲劳实验研究，来回答在Ｐａｒｉｓ、Ｃｈｅｌｌ（考虑最大应力的影响）和Ｆｏｒｅｍａｎ（考虑平均应力的影响）等公式中，在这样高的应力水平下究竟哪一个模型更适合描述表面裂纹疲劳扩展速率。实验结果分析表明：对于高韧性材料而言，即使在接近屈服的高应力水平下，Ｐａｒｉｓ公式仍不失为诸多应力疲劳扩展速率描述公式中最有效的。此外，还仔细观察了表面裂纹疲劳扩展的客观几何形貌和微观断裂特征。     

50CrVA钢复合处理后残余应力的分布及疲劳性能的研究

本文研究了50CrVA钢经气体软氮化加整体淬火复合处理后的残余应力分布及其疲劳特性。试验表明,复合处理可以明显地改善试样的残余应力分布情况,使表面呈压应力状态。由于表层氮、碳含量变化而引起的Ms点的变化与试样在冷却时存在的温度梯度的交互作用,使残余压应力的最高值出现在次表层,而在复合处理得到的强化层与心部组织交界处存在一压应力的“低谷”。复合处理后,试样表面的强化层对疲劳裂纹的扩展具有较大的阻碍作用,与常规处理相比,其旋转弯曲缺口疲劳极限提高约26.5％。     

GH80A镍合金电子束焊接接头旋转弯曲高周疲劳行为研究

随着镍合金电子束焊接在工业中的大量应用,尤其是在航空发动机和燃气轮机等关键长寿命服役设备中的使用,有必要对镍合金电子束焊接接头的高周疲劳属性和断裂机理进行系统的分析研究。本文利用旋转弯曲高周疲劳试验机进行疲劳试验,获得了母材和焊接接头的应力-寿命(S-N)曲线和疲劳断口,同时利用扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）对疲劳断口进行了微观特征分析,确定了母材和焊接接头在不同应力幅下的疲劳裂纹萌生区和扩展区,分析了裂纹萌生区位置与应力幅的相互关系。最后,利用有限元分析了焊接接头热影响区微裂纹位置与大小对材料疲劳性能的影响。从现有的试验和模拟结果可以得到：1)母材和电子束焊接接头应力-寿命(S-N)曲线分布趋势一致,但焊接接头疲劳强度要低于母材,在靠近107周次时,两者疲劳强度差距最小;2)在高应力幅（低周疲劳寿命阶段）母材和焊接接头的疲劳裂纹均起源于试件表面并且都是多点萌生断裂,焊接接头疲劳断口位置位于焊接熔合区或热影响区;3)在低应力幅（高周疲劳寿命阶段）疲劳裂纹在试件次表面萌生,焊接接头疲劳断口位于热影响区或焊接母材靠近热影响区处;4) 通过有限元模拟发现微裂纹的存在有利于裂纹的扩展。在拉应力作用下,横向微裂纹更优于纵向裂纹沿着应力方向进行裂纹扩展;随着微裂纹尺寸增大,微裂纹间更易于相互贯通,形成更长的裂纹,从而降低了材料的疲劳性能。综上可知,电子束焊接仅仅影响材料的疲劳强度。疲劳断裂机理和母材一致都为穿晶解理断裂,疲劳裂纹萌生区域位置也和母材一样都受应力幅的直接影响。     

断裂力学法研究多轴疲劳裂纹扩展的速度

若对裂尖附近的单轴应力场应用叠加原理,则可合成多轴裂尖应力场分布;由裂尖处材料微元体在合应力下的破坏应当服从第四强度理论,则导出多轴作用下的等效应力强度因子;借用Paris公式的形式,则导出了一个多轴疲劳裂纹扩展速度的等效公式;这个公式应当具有工程上的意义。     

焊接残余应力场中裂纹闭合模型

潜艇结构内广泛存在复杂分布的焊接残余应力,对焊接结构表面裂纹的扩展有很大的影响.利用权函数方法,结合Newman-Raju提出的表面裂纹在压弯组合应力下的经验公式,计算表面裂纹焊接残余应力的应力强度因子;并利用K相似原理,把表面裂纹问题转换为中心贯穿裂纹问题;利用Newman裂纹闭合模型模拟裂纹扩展,研究残余应力场内的裂纹闭合现象,并实现残余应力场内的裂纹扩展研究.该方法也可以用于随机载荷下残余应力场内裂纹扩展研究.     

纤维分布对活性粉末混凝土构件力学性能的影响

为研究准静态荷载下纤维分布对活性粉末混凝土(RPC)构件力学性能的影响,对同一纤维掺量(2%)下不同纤维长度(13～20 mm)的单向分布和乱向分布钢纤维RPC试件开展了四点受弯试验。通过选取弯拉荷载-挠度曲线上的初裂点、峰值点及其他几个特征点,定量分析单向分布和乱向分布钢纤维RPC的弯拉性能。结果表明：钢纤维在主拉应力方向上的方向系数显著影响基体的弯曲性能。其中,较乱向分布试件,单向分布钢纤维试件的弯拉峰值应力、弯曲韧性均大幅提高,且跨中挠度达到L/150时,残余强度仍比初裂强度高4.35～16.9 MPa;纤维长度由13 mm增加至20 mm时,与乱向分布试件相比,单向分布试件的裂后弯曲性能提高幅度更明显,且单向分布试件受荷越大,纤维长径比的优势越显著;单向分布试件断口处纤维分布均匀,绝大部分方向与主裂纹方向垂直,锚固长度大,断口处桥接效应显著;综合考虑单向钢纤维RPC试件的等效弯曲应力、耗能能力等指标,在纤维掺量为2%、纤维长度为20 mm时,其力学性能最优。     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法（XFEM）,计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子（SIF）,由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。